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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：
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：
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 (8)

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；所述正热光系数材料为氮化硅，所述负热光系数材料为聚氨酯丙烯酸酯。
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，所述下条形层的厚度为1000nm～1058nm。
7.根据权利要求1所述的波导结构，其特征在于，所述上条形层的厚度为564nm～654nm。
8.根据权利要求1所述的波导结构，其特征在于，所述狭缝层的厚度为129nm～138nm。
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