CN101308235A - 基于狭缝波导的硅基热无关阵列波导光栅 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于狭缝波导的硅基热无关阵列波导光栅。整个器件可分为输入/输出波导、输入/输出平板波导和阵列波导三部分。本发明引入了狭缝波导结构，用于解决阵列波导光栅的中心波长随温度变化而产生漂移的问题。通过使用在狭缝处填入具有负热光系数的聚合物材料的狭缝波导作为阵列波导，使阵列波导区对温度不敏感。为了提高硅光子线与平板波导的耦合效率，在输入波导与输入平板波导耦合处、输入平板波导与阵列波导耦合处、阵列波导与输出平板波导耦合处以及输出平板波导与输出波导耦合处均采用了锥形渐变波导结构。整个器件尺寸小，结构紧凑，兼容于CMOS加工工艺，为波分复用/解复用的单片集成的实现提供了一种新的途径。
Description
技术领域
本发明涉及光通信器件，特别是涉及一种基于狭缝波导的硅基热无关阵列波导光栅。
背景技术
阵列波导光栅是密集波分复用全光网络中重要的无源器件，其分波合波性能，可以应用于许多波长相关的器件中。阵列波导光栅的主要应用领域有：波长复用/解复用器；光路由器；波长选择器；多波长光源；多波长接收机；光谱分析仪；多波长监测仪；色散补偿器等等。
阵列波导光栅的最基本的功能是使入射光中不同波长的光经过光栅聚焦于不同的地方，达到分波的作用。阵列波导光栅是用平面波导实现的光栅器件，通过调整相邻阵列波导的长度差，可以控制光栅的衍射级数，从而调整光栅的工作波长、自由光谱范围、角色散等参数。
作为40多年来迅速发展的微电子技术的支柱材料，硅材料(主要是SOI材料)近年来也在集成光子技术中引起越来越多的关注。它的应用领域包括光互连、光通信、光传感等诸多方面。由于可与标准的CMOS工艺相兼容，具有非常广阔的市场前景。且成本低廉，便于实现单片集成与片间互连。但作为集成光子技术的新兴材料，对它的研究还很不成熟。
基于二氧化硅的阵列波导光栅器件的技术已经相当成熟，但器件的尺寸较大不易集成。利用硅基波导的高折射率差，可以设计出比常规尺寸小得多的硅基阵列波导光栅器件，可是这方面的研究工作才刚刚起步，还存在很多的问题和难点。对于阵列波导光栅器件，波长随温度变化的稳定性是很重要的一个指标。由于硅的热光系数要比二氧化硅的热光系数高出一个数量级，硅的折射率会随温度的变化而产生的漂移比二氧化硅要大得多，所以硅基阵列波导的热稳定性较差。因此要制作出温度不敏感的阵列波导光栅，就必须采取一定的措施补偿温度引起波长的漂移。
发明内容
为了克服硅基阵列波导光栅的热稳定性较差的问题，本发明的目的是提供一种基于狭缝波导的硅基热无关阵列波导光栅。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案有如下三种：
一、第一种基于狭缝波导的硅基热无关阵列波导光栅：
包括输入端光波导、输出端光波导、两个平板波导和阵列波导组；所述的两个平板波导与阵列波导组之间设置了模斑转换结构，阵列波导组为阵列垂直狭缝波导组。
所述的阵列垂直狭缝波导组的截面为垂直型狭缝波导，狭缝填充了负热光系数的聚合物材料；或所述的阵列垂直狭缝波导组的截面为垂直脊型狭缝波导，狭缝填充了负热光系数的聚合物材料。
所述的模斑转换结构是引入单根硅波导组成的锥形渐变波导对，或者同时引入两根硅波导组成的锥形渐变波导对，或者引入锥形渐变狭缝波导。
二、第二种基于狭缝波导的硅基热无关阵列波导光栅：
包括输入端光波导、输出端光波导、两个平板波导和阵列波导组；所述的阵列波导组分为两个部分，输入端一侧为阵列垂直狭缝波导组，输出端一侧为阵列波导组；所述的第一平板波导和阵列垂直狭缝波导组之间设置了模斑转换结构；所述的阵列垂直狭缝波导组和阵列波导组之间设置了另一模斑转换结构。
所述的阵列垂直狭缝波导组的截面为垂直型狭缝波导，狭缝填充了负热光系数的聚合物材料；或所述的阵列垂直狭缝波导组的截面为垂直脊型狭缝波导，狭缝填充了负热光系数的聚合物材料。
所述的模斑转换结构是引入单根硅波导组成的锥形渐变波导对，或者同时引入两根硅波导组成的锥形渐变波导对，或者引入锥形渐变狭缝波导。
三、第三种基于狭缝波导的硅基热无关阵列波导光栅：
包括输入端光波导、输出端光波导、两个平板波导和阵列波导组；所述的输入端光波导和输出端光波导均为水平型狭缝波导，或者是水平脊型狭缝波导，狭缝填充了负热光系数的聚合物材料；所述的两个平板波导为水平平板狭缝波导，狭缝填充了负热光系数的聚合物材料；所述的阵列波导组为水平型狭缝波导，或者是水平脊型狭缝波导，狭缝填充了负热光系数的聚合物材料。
本发明具有的有益效果是：
本发明引入狭缝波导的结构，由于在狭缝中可以填充任意性质的低折射率材料，当在狭缝处填入具有负热光系数的聚合物材料后，可以大大提高了温度补偿效果。在补偿方式上有正常补偿和过补偿两种方式，而且由于使用的聚合物的热光系数的不同，最优化的结构参数不一样，所以可以根据原阵列波导光栅的波导尺寸确定用于温度补偿的狭缝波导尺寸，以及合适的狭缝填充材料。为了提高硅光子线与平板波导的耦合效率，在输入波导与输入平板波导耦合处、输入平板波导与阵列波导耦合处、阵列波导与输出平板波导耦合处以及输出平板波导与输出波导耦合处均采用了锥形渐变波导结构。整个器件尺寸小，结构紧凑，兼容于CMOS加工工艺，为波分复用/解复用的单片集成的实现提供了一种新的途径。
附图说明
图1是阵列波导光栅的结构示意图。
图2是阵列波导组完全使用阵列垂直狭缝波导组的结构示意图。
图3是阵列波导组部分使用阵列垂直狭缝波导组补偿，部分使用阵列硅波导示意图。
图4是图2、图3中的A-A’的结构剖面图，垂直型狭缝波导的结构示意图。
图5是图2、图3中的A-A’的结构剖面图，垂直脊型狭缝波导的结构示意图。
图6是水平型狭缝波导的结构示意图。
图7是水平脊型狭缝波导的结构示意图。
图8是图2、图3中的B-B’的结构剖面图，单模硅波导的结构示意图。
图9是引入单根硅波导组成锥形渐变波导的模斑转换结构的示意图。
图10是同时引入两根硅波导组成锥形渐变波导的模斑转换结构的示意图。
图11是引入锥形渐变狭缝波导的模斑转换结构的示意图。
图12是水平平板狭缝波导的结构示意图。
图中：1、输入端光波导，1’、输出端光波导，2、平板波导，3、阵列波导组，4、阵列垂直狭缝波导组，5、狭缝两侧的硅波导，6、狭缝，7、埋入型单模硅波导，8、垂直型狭缝波导，9、垂直脊型狭缝波导，10、水平型狭缝波导，11、水平脊型狭缝波导，12、单模硅波导，13、引入单根硅波导组成的锥形渐变波导，14、引入两根硅波导组成的锥形渐变波导，15、引入锥形渐变狭缝波导，16、二氧化硅缓冲层，17、硅衬底，18、模斑转换结构，19、水平平板狭缝波导。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
参照图1所示，本发明包括输入端光波导1、输出端光波导1’、两个平板波导2和阵列波导组3。光束经输入端光波导1耦合到第一平板波导，再连接到阵列波导组3，耦合到第二平板波导，最后由输出端光波导1’输出。引入具有水平狭缝结构的波导，输入端光波导1、输出端光波导1’为水平型狭缝波导10，或者是水平脊型狭缝波导11；两个平板波导为水平平板狭缝波导21；阵列波导组3为水平型狭缝波导10，或者是水平脊型狭缝波导11，所有的具有水平狭缝结构的波导，狭缝6均填充了负热光系数的聚合物材料，则就是本发明的一种结构。该结构是因为在阵列波导组3处采用的水平型狭缝波导10，或者是水平脊型狭缝波导11结构，可以实现温度补偿，使阵列波导区对温度不敏感，所以可以保证器件的中心波长不会随温度变化。
参照图2所示，为本发明的一种结构。在两个平板波导2与阵列波导组3之间设置了模斑转换结构18，阵列波导组3为阵列垂直狭缝波导组4。第一组等长度的模斑转换结构18连接到等间隔长度为ΔL的阵列垂直狭缝波导4，再连接到第二组等长度的模斑转换结构18。该结构是采用了垂直型狭缝波导8，或者是垂直脊型狭缝波导9结构，狭缝6均填充了负热光系数的聚合物材料，可以实现温度补偿，使阵列波导区对于温度不敏感，使整个器件的中心波长不随温度变化而产生漂移。
参照图3所示，本发明的一种结构。阵列波导组3分为两个部分，输入端一侧为阵列垂直狭缝波导组4，输出端一侧为阵列波导组3，第一平板波导和阵列垂直狭缝波导组4之间设置了模斑转换结构18，阵列垂直狭缝波导组4和阵列波导组3之间设置了模斑转换结构18，该结构在阵列波导区部分使用阵列垂直狭缝波导组4。通过第一组等长度的模斑转换结构18连接到等间隔长度为ΔL1的阵列垂直狭缝波导组4进行温度补偿，再通过第二组等长度的模斑转换结构18连接到等间隔长度为ΔL2，阵列波导组3，其中ΔL1+ΔL2＝ΔL。这几个结构共同构成阵列波导区。阵列垂直狭缝波导组4采用了垂直型狭缝波导8，或者是垂直脊型狭缝波导9结构，其狭缝6均填充了负热光系数的聚合物材料，设置合适的结构参数，可以使阵列垂直狭缝波导组实现过补偿，即使器件的中心波长在阵列垂直狭缝波导组4处具有负的温度漂移，用于补偿阵列波导组3处产生的正的温度漂移，使阵列波导区对于温度不敏感，使整个器件的中心波长不随温度变化而产生漂移。
参照图4、图5、图6、图7、图12所示，本发明是以SOI材料为平台，由二氧化硅缓冲层16和硅衬底17构成；以负热光系数的聚合物材料为狭缝波导的狭缝6填充物质，通过调整狭缝两侧的硅波导5的宽度和高度，以及狭缝6的宽度等参数，可以达到温度补偿以及过补偿的效果。利用狭缝波导的特性，在狭缝6中间填充不同的聚合物材料，可以实现不同尺寸下的温度补偿。对于本发明提到的具有狭缝结构的波导，有以埋入型波导组成的垂直型狭缝波导8和水平型狭缝波导10，有以脊形波导组成的垂直脊型狭缝波导9，有以埋入型硅波导和脊形波导共同组成的水平脊型狭缝波导11，还有以平板波导组成的水平平板狭缝波导19。
参照图8所示，是以SOI材料为平台的常规的单模硅波导12，它是以埋入型单模硅波导7为波导芯层的一个波导结构，是硅基阵列波导光栅中的基本波导结构。
参照图9、图10、图11所示，对于单模波导-狭缝波导的模斑转换结构18，本发明使用了引入单根硅波导构成互补锥形渐变波导对13，同时引入两根硅波导构成锥形渐变波导对14，以及引入锥形渐变狭缝15这三种结构。模斑转换结构18的作用是要把图2、图3中B-B’结构剖面图的单模硅波导12，转换成图2、图3中A-A’结构剖面图的垂直型狭缝波导8，或者垂直脊型狭缝波导9。
以下为本发明的实施例，但对本发明的实施并不仅限于以下这些实施例：
实施例1：
结构参见图2所示。取顶层硅厚度为500纳米，二氧化硅缓冲层16厚度为2微米的SOI片子，在顶层热氧化出一层二氧化硅作为掩膜，采用E-beam直写的方法，刻蚀出器件结构。包括输入端光波导1、输出端光波导1’、两个平板波导2，引入单根硅波导组成的锥形渐变波导13的两组模斑转换结构18和垂直型狭缝波导8组成的阵列垂直狭缝波导组4，并且在输入波导与输入平板波导耦合处、输入平板波导与阵列波导耦合处、阵列波导与输出平板波导耦合处以及输出平板波导与输出波导耦合处均采用了锥形渐变波导结构。最后通过旋涂覆盖上聚合物材料作为上包层，并填充进狭缝6。
Claims (7)
1、一种基于狭缝波导的硅基热无关阵列波导光栅，包括输入端光波导(1)、输出端光波导(1’)、两个平板波导(2)和阵列波导组(3)；其特征在于：所述的两个平板波导(2)与阵列波导组(3)之间设置了模斑转换结构(18)，阵列波导组(3)为阵列垂直狭缝波导组(4)。
2、根据权利要求1所述的一种基于狭缝波导的硅基热无关阵列波导光栅，其特征在于：所述的阵列垂直狭缝波导组(4)的截面(A-A’)为垂直型狭缝波导(8)，狭缝(6)填充了负热光系数的聚合物材料；或所述的阵列垂直狭缝波导组(4)的截面(A-A’)为垂直脊型狭缝波导(9)，狭缝(6)填充了负热光系数的聚合物材料。
3、根据权利要求1所述的一种基于狭缝波导的硅基热无关阵列波导光栅，其特征在于：所述的模斑转换结构(18)是引入单根硅波导组成的锥形渐变波导对(13)，或者同时引入两根硅波导组成的锥形渐变波导对(14)，或者引入锥形渐变狭缝波导(15)。
4、一种基于狭缝波导的硅基热无关阵列波导光栅，包括输入端光波导(1)、输出端光波导(1’)、两个平板波导(2)和阵列波导组(3)；其特征在于：所述的阵列波导组(3)分为两个部分，输入端一侧为阵列垂直狭缝波导组(4)，输出端一侧为阵列波导组(3)；所述的第一平板波导和阵列垂直狭缝波导组(4)之间设置了模斑转换结构(18)；所述的阵列垂直狭缝波导组(4)和阵列波导组(3)之间设置了另一模斑转换结构(18)。
5、根据权利要求4所述的一种基于狭缝波导的硅基热无关阵列波导光栅，其特征在于：所述的阵列垂直狭缝波导组(4)的截面(A-A’)为垂直型狭缝波导(8)，狭缝(6)填充了负热光系数的聚合物材料；或所述的阵列垂直狭缝波导组(4)的截面(A-A’)为垂直脊型狭缝波导(9)，狭缝(6)填充了负热光系数的聚合物材料。
6、根据权利要求4所述的一种基于狭缝波导的硅基热无关阵列波导光栅，其特征在于：所述的模斑转换结构(18)是引入单根硅波导组成的锥形渐变波导对(13)，或者同时引入两根硅波导组成的锥形渐变波导对(14)，或者引入锥形渐变狭缝波导(15)。
7，一种基于狭缝波导的硅基热无关阵列波导光栅，包括输入端光波导(1)、输出端光波导(1’)、两个平板波导(2)和阵列波导组(3)；其特征在于：所述的输入端光波导(1)和输出端光波导(1’)均为水平型狭缝波导(10)，或者是水平脊型狭缝波导(11)，狭缝(6)填充了负热光系数的聚合物材料；所述的两个平板波导为水平平板狭缝波导(19)，狭缝(6)填充了负热光系数的聚合物材料；所述的阵列波导组(3)为水平型狭缝波导(10)，或者是水平脊型狭缝波导(11)，狭缝(6)填充了负热光系数的聚合物材料。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20100804 Termination date: 20130708 |