CN104991308A - 一种波导结构 - Google Patents

一种波导结构 Download PDF

Info

Publication number
CN104991308A
CN104991308A CN201510446433.4A CN201510446433A CN104991308A CN 104991308 A CN104991308 A CN 104991308A CN 201510446433 A CN201510446433 A CN 201510446433A CN 104991308 A CN104991308 A CN 104991308A
Authority
CN
China
Prior art keywords
layer
bar shaped
waveguiding structure
slit
shaped layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201510446433.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN104991308B (zh
Inventor
边丹丹
陈少武
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Institute of Semiconductors of CAS
Original Assignee
Institute of Semiconductors of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Institute of Semiconductors of CAS filed Critical Institute of Semiconductors of CAS
Priority to CN201510446433.4A priority Critical patent/CN104991308B/zh
Publication of CN104991308A publication Critical patent/CN104991308A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN104991308B publication Critical patent/CN104991308B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/12007—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind forming wavelength selective elements, e.g. multiplexer, demultiplexer
    • G02B6/12009—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind forming wavelength selective elements, e.g. multiplexer, demultiplexer comprising arrayed waveguide grating [AWG] devices, i.e. with a phased array of waveguides
    • G02B6/12026—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind forming wavelength selective elements, e.g. multiplexer, demultiplexer comprising arrayed waveguide grating [AWG] devices, i.e. with a phased array of waveguides characterised by means for reducing the temperature dependence
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/12007—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind forming wavelength selective elements, e.g. multiplexer, demultiplexer
    • G02B6/12009—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind forming wavelength selective elements, e.g. multiplexer, demultiplexer comprising arrayed waveguide grating [AWG] devices, i.e. with a phased array of waveguides
    • G02B6/12019—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind forming wavelength selective elements, e.g. multiplexer, demultiplexer comprising arrayed waveguide grating [AWG] devices, i.e. with a phased array of waveguides characterised by the optical interconnection to or from the AWG devices, e.g. integration or coupling with lasers or photodiodes

Abstract

本发明公开了一种波导结构，其至下而上依次叠置有二氧化硅衬底层、氮化硅下条形层、聚氨酯丙烯酸酯狭缝层、氮化硅上条形层，其中，下条形层、该狭缝层以及该上条形层的宽度相等，该下条形层及该上条形层采用正热光系数材料，该狭缝层采用负热光系数材料。通过设定各层的材料及尺寸，达到同时实现波导折射率温度漂移自补偿和低平坦色散的目的。

Description

一种波导结构
技术领域
本发明属于导波光学和集成光学领域，尤其涉及应用于硅基波导微腔超宽带光频梳的一种同时实现温度自补偿和低平坦色散的波导结构。
背景技术
在片上光互连中使用波分复用技术是光互连在能耗和传输容量方面真正能超越电互连的关键所在。光源器件是实现波分复用片上互连亟待解决的核心瓶颈问题，可以采用硅基微腔光频梳作为光源，产生多个间距固定、波长稳定的输出。微腔光频梳的产生需要低反常色散、色散平坦的波导结构，而且热光效应引起的折射率的改变，会使腔谐振频率产生漂移，影响光频梳的产生。传统的波导难以兼顾低色散与色散平坦的特点，特别是不能在保证色散特性的前提下实现温度自补偿，因此，需要一种同时实现温度自补偿和低平坦色散的波导结构。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的在于提供一种波导结构，能同时实现波导折射率温度漂移自补偿和低平坦色散。
(二)技术方案
本发明提供一种波导结构，其至下而上依次叠置有衬底层、下条形层、狭缝层以及上条形层，其中，该下条形层、该狭缝层以及该上条形层的宽度相等，该下条形层及该上条形层采用正热光系数材料，该狭缝层采用负热光系数材料。
(三)有益效果
1、本发明提供的波导结构通过设定各层的尺寸，从而调控光场限制因子，使波导的有效折射率对温度的一阶导数接近零，从而实现波导折射率温度漂移自补偿。
2、本发明提供的波导结构采用的是条形/狭缝混合波导结构，由于条形波导模式和狭缝波导模式的有效折射率随波长变化曲线的斜率不同，当在某一波长，这两种波导模式的有效折射率相互接近时，产生模式耦合，但是这两条折射率曲线并不交叉，而是相互排斥并交换各自的折射率-波长变化斜率，同时由于条形波导和狭缝波导的耦合作用，各自的模式并不能单独存在，而是形成了对称模和反对称模。反对称模的色散是反常色散，对称模的色散是正常色散。在短波长，光场主要分布在条形波导区，形成条形波导模式，随着波长的增加，狭缝区所占光场比例逐渐增大，光场模式是狭缝波导模式。这种模式转换，会产生一个额外的凹状色散，补偿已经存在凸状色散，使色散变平坦，同时，通过优化波导结构，实现低色散的特点。
附图说明
图1为现有技术中的条形波导结构示意图。
图2为本发明实施例提供的波导结构示意图。
图3为本发明实施例提供的波导结构与现有技术中条形波导结构的有效折射率随温度的变化曲线。
图4为本发明实施例提供的波导结构与现有技术中条形波导结构的色散曲线。
具体实施方式
本发明提供一种波导结构，其至下而上依次叠置有衬底层、下条形层、狭缝层以及上条形层，其中，下条形层、该狭缝层以及该上条形层的宽度相等，该下条形层及该上条形层采用正热光系数材料，该狭缝层采用负热光系数材料。通过设定各层的材料及尺寸，达到同时实现波导折射率温度漂移自补偿和低平坦色散的目的。
在一种实施方式中，波导结构还包括一个外包层，其包裹在衬底层、下条形层、狭缝层以及上条形层的四周，其中，外包层可以是空气或二氧化硅(SiO2)。
在一种实施方式中，下条形层、狭缝层以及所述上条形层的宽度均为1194nm～1236nm，在具体的实施例中，可取1200nm。
在一种实施方式中，衬底层的材料为二氧化硅(SiO2)，且衬底层的厚度为2000nm～4000nm，在具体的实施例中，可取2000nm。
在一种实施方式中，正热光系数材料为氮化硅(Si3N4)。
在一种实施方式中，下条形层的厚度为1000nm～1058nm，在具体的实施例中，可取1030nm。
在一种实施方式中，上条形层的厚度为564nm～654nm，在具体的实施例中，可取590nm。
在一种实施方式中，负热光系数材料为聚氨酯丙烯酸酯(PUA)。
在一种实施方式中，狭缝层的厚度为129nm～138nm，在具体的实施例中，可取138nm。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
图2为本发明实施例提供的波导结构示意图，如图2所述，该波导结构从下而上依次包括：二氧化硅衬底层、氮化硅下条形层、聚氨酯丙烯酸酯狭缝层、氮化硅上条形层。该波导结构的实现方法为：在2000nm厚的二氧化硅衬底上依次生长厚度1030nm的氮化硅、厚度138nm的聚氨酯丙烯酸酯(PUA)、厚度590nm的氮化硅，然后用干法刻蚀工艺刻制出宽1200nm的波导图形。该波导结构还具有一个外包层，其包裹在衬底层、下条形层、狭缝层以及上条形层的四周该，本实施例中，外包层是空气。波导结构的有效折射率会随温度变化，若忽略各层光场限制因子随温度的变化，则有效折射率对温度的一阶导数为各层光场限制因子乘以该层折射率对温度的一阶导数之和，即：
∂ n e f f ∂ T ≈ Γ l o w e r c l a d · ∂ n l o w e r c l a d ∂ T + Γ s l o t · ∂ n s l o t ∂ T + Γ u p p e r c l a d · ∂ n u p p e r c l a d ∂ T , 其中，
为波导有效折射率对温度的一阶导数；
Γlowerclad为下条形层的光场限制因子，nlowerclad为下条形层的折射率；
Γslot为狭缝层的光场限制因子，nslot为狭缝层的折射率；
Γupperclad为上条形层的光场限制因子，nupperclad为上条形层的折射率。
T为温度。
其中，各层波导的尺寸决定了各层光场限制因子，具体的，在计算光场限制因子时，用comsol软件计算不同尺寸波导的光场分布，导出该光场中各坐标点的电场值，然后用matlab对不同区域的电场值求平方和求该区域的光场能量，再除以全区域的光场能量，从而计算该波导不同区域的限制因子。
热光系数(TOC)定义为折射率对温度的一阶导数。因此，有效折射率对温度的一阶导数为各层光场限制因子乘以该层材料的热光系数之和。
由上式可知，通过改变各层材料的尺寸，调控光场限制因子，使接近零，从而实现波导折射率温度漂移自补偿。
本实施例中，衬底层的厚度H取2000nm，下条形层、狭缝层以及上条形层的宽度W取1200nm，下条形层的厚度Hl取1030nm，狭缝层的厚度Hs取138nm，上条形层的厚度Hu取590nm，氮化硅在波长1550nm时，折射率为1.98，热光系数为4×10-5/K，光场限制因子为Γlowerclad＝83.85％，聚氨酯丙烯酸酯在波长1550nm时，折射率为1.55，热光系数为-4.5×10-4/K，光场限制因子为Γslot＝7.78％，上条形层在波长1550nm时，折射率为1.98，热光系数为4×10-5/K，光场限制因子为Γupperclad＝3.69％，将本实施例的参数代入上式公式：
∂ n e f f ∂ T = 83.85 % · 4 × 10 - 5 + 7.78 % · ( - 4.5 × 10 - 4 ) + 3.69 % · 4 × 10 - 5 = 2.5574 × 10 - 7 , 近似等于0。
图3为本发明实施例提供的波导结构与现有技术中条形波导结构的有效折射率随温度的变化曲线，如图3所示，本实施例中的波导结构，通过设定各层材料的尺寸，从而调控光场限制因子，使接近零，从而实现波导折射率温度漂移自补偿。
图4为本发明实施例提供的波导结构与现有技术中条形波导结构的色散曲线，本实施例采用的是条形/狭缝混合波导结构，由于条形波导模式和狭缝波导模式的有效折射率随波长变化曲线的斜率不同，当在某一波长，这两种波导模式的有效折射率相互接近时，产生模式耦合，但是这两条折射率曲线并不交叉，而是相互排斥并交换各自的折射率-波长变化斜率，同时由于条形波导和狭缝波导的耦合作用，各自的模式并不能单独存在，而是形成了对称模和反对称模。反对称模的色散是反常色散，对称模的色散是正常色散。在短波长，光场主要分布在条形波导区，形成条形波导模式，随着波长的增加，狭缝区所占光场比例逐渐增大，光场模式是狭缝波导模式。这种模式转换，会产生一个额外的凹状色散，补偿已经存在凸状色散，使色散变平坦，同时，通过优化波导结构，实现低色散的特点。如图4所示，在时，在波长1100至2000nm的范围上呈现低且平坦的反常色散。同尺寸的条形波导，波导厚H＝1030nm，宽W＝1200nm，在波长1100至2000nm的范围上色散曲线不平坦。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种波导结构，其特征在于，其至下而上依次叠置有衬底层、下条形层、狭缝层以及上条形层，其中，该下条形层、该狭缝层以及该上条形层的宽度相等，该下条形层及该上条形层采用正热光系数材料，该狭缝层采用负热光系数材料。
2.根据权利要求1所述的波导结构，其特征在于，还包括一个外包层，其包裹在所述衬底层、下条形层、狭缝层以及上条形层的四周。
3.根据权利要求1所述的波导结构，其特征在于，所述下条形层、所述狭缝层以及所述上条形层的宽度均为1194nm～1236nm。
4.根据权利要求1所述的波导结构，其特征在于，所述衬底层的材料为二氧化硅。
5.根据权利要求4所述的波导结构，其特征在于，所述衬底层的厚度为2000nm～4000nm。
6.根据权利要求1所述的波导结构，其特征在于，所述正热光系数材料为氮化硅。
7.根据权利要求6所述的波导结构，其特征在于，所述下条形层的厚度为1000nm～1058nm。
8.根据权利要求6所述的波导结构，其特征在于，所述上条形层的厚度为564nm～654nm。
9.根据权利要求1所述的波导结构，其特征在于，所述负热光系数材料为聚氨酯丙烯酸酯。
10.根据权利要求9所述的波导结构，其特征在于，所述狭缝层的厚度为129nm～138nm。
CN201510446433.4A 2015-07-27 2015-07-27 一种波导结构 Expired - Fee Related CN104991308B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510446433.4A CN104991308B (zh) 2015-07-27 2015-07-27 一种波导结构

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510446433.4A CN104991308B (zh) 2015-07-27 2015-07-27 一种波导结构

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN104991308A true CN104991308A (zh) 2015-10-21
CN104991308B CN104991308B (zh) 2018-04-20

Family

ID=54303143

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201510446433.4A Expired - Fee Related CN104991308B (zh) 2015-07-27 2015-07-27 一种波导结构

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN104991308B (zh)

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105629380A (zh) * 2016-03-16 2016-06-01 天津大学 用于色散控制的芯片上集成的光波导结构及色散控制方法
CN107390317A (zh) * 2017-06-30 2017-11-24 清华大学 一种适用于集成光波导的色散控制方法和集成光波导
CN107490821A (zh) * 2016-06-12 2017-12-19 天津大学 一种宽带温度不敏感的光波导器件
CN108123365A (zh) * 2017-12-25 2018-06-05 武汉邮电科学研究院 一种无温漂的片上集成激光器及其制备方法
CN108415122A (zh) * 2018-01-27 2018-08-17 天津大学 一种宽带色散控制波导及控制方法
CN109462132A (zh) * 2019-01-04 2019-03-12 北京交通大学 基于正常色散平坦氮化硅光波导的平坦光频率梳产生系统
CN110261958A (zh) * 2019-06-17 2019-09-20 上海理工大学 基于垂直狭缝结构的环境温度无关氮化硅微环滤波芯片
CN110376677A (zh) * 2019-08-30 2019-10-25 易锐光电科技(安徽)有限公司 一种无热阵列波导光栅
CN110927871A (zh) * 2019-11-06 2020-03-27 天津大学 宽带温度不敏感及低色散的光波导结构及其设计方法
CN111522093A (zh) * 2020-05-06 2020-08-11 贵阳学院 一种双条形氮化硅波导及其制备方法
CN111948755A (zh) * 2020-09-08 2020-11-17 西安邮电大学 一种2μm波段的条-槽-条型极大负色散光波导

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070127538A1 (en) * 2005-12-07 2007-06-07 Electronics And Telecommunications Research Institute Athermal external cavity laser
CN103048844A (zh) * 2013-01-12 2013-04-17 东北大学 一种基于液体填充的光子晶体槽波导慢光特性优化方法
WO2014058392A1 (en) * 2012-10-08 2014-04-17 Agency For Science, Technology And Research Refractive index sensor for analyzing an analyte, and method of fabrication thereof
CN104267463A (zh) * 2014-10-23 2015-01-07 重庆大学 一种新型的正交狭缝光波导结构及制造方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070127538A1 (en) * 2005-12-07 2007-06-07 Electronics And Telecommunications Research Institute Athermal external cavity laser
WO2014058392A1 (en) * 2012-10-08 2014-04-17 Agency For Science, Technology And Research Refractive index sensor for analyzing an analyte, and method of fabrication thereof
CN103048844A (zh) * 2013-01-12 2013-04-17 东北大学 一种基于液体填充的光子晶体槽波导慢光特性优化方法
CN104267463A (zh) * 2014-10-23 2015-01-07 重庆大学 一种新型的正交狭缝光波导结构及制造方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
LIN ZHANG，ET AL.: ""On-chip two-octave supercontinuum generation by enhancing self-steepening of optical pulses"", 《OPTICS EXPRESS》 *
PAYAM ALIPOUR, ET AL.: ""Athermal performance in high-Q polymer-clad silicon microdisk resonators"", 《OPTICS LETTERS》 *

Cited By (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105629380A (zh) * 2016-03-16 2016-06-01 天津大学 用于色散控制的芯片上集成的光波导结构及色散控制方法
CN105629380B (zh) * 2016-03-16 2018-11-20 天津大学 用于色散控制的芯片上集成的光波导结构及色散控制方法
CN107490821A (zh) * 2016-06-12 2017-12-19 天津大学 一种宽带温度不敏感的光波导器件
CN107490821B (zh) * 2016-06-12 2020-03-20 天津大学 一种宽带温度不敏感的光波导器件
CN107390317B (zh) * 2017-06-30 2019-09-20 清华大学 一种适用于集成光波导的色散控制方法和集成光波导
CN107390317A (zh) * 2017-06-30 2017-11-24 清华大学 一种适用于集成光波导的色散控制方法和集成光波导
CN108123365A (zh) * 2017-12-25 2018-06-05 武汉邮电科学研究院 一种无温漂的片上集成激光器及其制备方法
CN108415122A (zh) * 2018-01-27 2018-08-17 天津大学 一种宽带色散控制波导及控制方法
WO2019144903A1 (zh) * 2018-01-27 2019-08-01 天津大学 一种宽带色散控制波导及控制方法
CN108415122B (zh) * 2018-01-27 2020-05-29 天津大学 一种宽带色散控制波导及控制方法
CN109462132A (zh) * 2019-01-04 2019-03-12 北京交通大学 基于正常色散平坦氮化硅光波导的平坦光频率梳产生系统
CN110261958A (zh) * 2019-06-17 2019-09-20 上海理工大学 基于垂直狭缝结构的环境温度无关氮化硅微环滤波芯片
CN110376677A (zh) * 2019-08-30 2019-10-25 易锐光电科技(安徽)有限公司 一种无热阵列波导光栅
CN110927871A (zh) * 2019-11-06 2020-03-27 天津大学 宽带温度不敏感及低色散的光波导结构及其设计方法
CN111522093A (zh) * 2020-05-06 2020-08-11 贵阳学院 一种双条形氮化硅波导及其制备方法
CN111948755A (zh) * 2020-09-08 2020-11-17 西安邮电大学 一种2μm波段的条-槽-条型极大负色散光波导
CN111948755B (zh) * 2020-09-08 2022-07-15 西安邮电大学 一种2μm波段的条-槽-条型极大负色散光波导

Also Published As

Publication number Publication date
CN104991308B (zh) 2018-04-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104991308A (zh) 一种波导结构
US20230305323A1 (en) Silicon-based modulator with different transition zone thicknesses
Hameed et al. Passive polarization converters based on photonic crystal fiber with L-shaped core region
US7389033B2 (en) Planar lightwave circuit type variable optical attenuator
US20030031445A1 (en) Method and system for reducing dn/dt birefringence in a thermo-optic PLC device
CN103907049A (zh) 光学元件以及马赫－曾德型光波导元件
US20160156147A1 (en) Optically pumpable waveguide amplifier with amplifier having tapered input and output
CN109975926B (zh) 一种二氧化硅加载条型波导及其制作方法
CN102902011B (zh) 一种温度不敏感阵列波导光栅
CN104813204B (zh) 波导结构、波导耦合结构、及制备方法
US7292752B2 (en) Tuneable grating assisted directional optical coupler
US11808980B2 (en) Ultra-compact silicon waveguide mode converter based on meta-surface structure
CN203941311U (zh) 一种可调光学谐振装置
Hida et al. 10 m long silica-based waveguide with a loss of 1.7 dB/m
CN105759351A (zh) 一种基于垂直耦合原理的硅基槽波导起偏器
CN107144918A (zh) 基于正弦空间调制的阵列波导
CN110221384A (zh) 一种硅基超材料多模弯曲波导及其制备方法
US6339667B1 (en) Optical waveguide and method for fabricating the same
Gamet et al. Field matching Y-branch for low loss power splitter
WO2022012434A1 (zh) 一种高密度集成光波导
Hameed et al. Design consideration of polarization converter based on silica photonic crystal fiber
Fu et al. Ultracompact silicon waveguide bends designed using a particle swarm optimization algorithm
JP2005043497A (ja) 光導波路
Hui et al. Design of a dispersion-engineered broadband Ge11. 5As24Se64. 5-Si3N4 strip–slot hybrid waveguide with giant and flat dispersion over 350 nm for on-chip photonic networks
US20230418092A1 (en) Thermo-optical phase shifter

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20180420

Termination date: 20200727

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee