CN108415122A - 一种宽带色散控制波导及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种宽带色散控制波导及控制方法。本发明公开了一种新型光波导结构，波导芯区由内外两层不同折射率的材料构成；所述两层不同折射率的材料的折射率比值≥1.15。利用上述芯片上集成的光波导结构的色散控制方法是，首先，由预设的光波导的一组结构尺寸参数，计算得到一条具有5个色散零点的色散曲线；然后，通过调整波导芯区与基底接触面的宽度、高折射率材料的厚度和低折射率材料的厚度中的一个或多个参数，从而实现色散控制。本发明通过将之前设计的波导结构的芯区变为内外两层，同时外层不用进行刻蚀，减小了色散调控波导所需的加工步骤，降低了对加工条件的要求。并且该结构可以产生5个色散零点，产生的平坦色散带宽超过两个倍频程。

Description

一种宽带色散控制波导及控制方法

技术领域

本发明涉及一种宽带色散控制波导及控制方法，它属于导波光学和微纳米集成光学领域。

背景技术

波导是指用来定向引导电磁波的结构，常见的波导结构有平行双导线、同轴线、平行平板波导、矩形波导和光纤等。色散是指光在波导中传输时，不同频率的光在介质中的传播速度不同的现象，在通信等领域，色散会导致光携带的信号发生畸变。当下，导波光学和微纳米集成光学技术蓬勃发展，如何对可集成的光波导进行色散控制，从而实现色散补偿、低色散以及无色散传输、超连续谱及光频率梳的产生等应用成为一项研究热门。在光波导中，通过设计波导结构，选择合适的材料，可有效地改变波导色散，获得位置以及数量可控的零色散波长，从而灵活地进行色散控制。公开号为US 8483529 B2，其公开日为2013年7月9日的专利文献中公开了一种《Waveguide-based dispersion device》，设计了一种slot型波导与strip型波导耦合的结构，该结构引入了一种模式转变机制^[1,2]，从而能进行色散控制。公开号为US 9110219B1,其公开日为2015年8月18号的专利文献中公开了一种《On-chiptwo-octave supercontinuum generation enabled by advanced chromatic dispersiontailoring in slotted waveguides》，设计了一种改进型的slot型波导结构，这会使得色散值随着波长变化的曲线出现4个色散零点，类似于马鞍形^[2]，可更加灵活地实现色散控制，4个色散零点也是目前为止公开报导的，可获得的最多的零色散波长个数。在该类波导结构中，芯区从上到下以高-低-高的折射率分布方式排列了三层，该波导用于进行色散调控的参数为三个材料区域的高度和波导芯区的宽度，总共四个，这样的三层结构波导加工工艺复杂，对于加工条件的要求高，并且该结构要求高折射率材料与低折射率材料的比值相对较高，可适用于该结构的材料组合较少，并且该结构最多可产生4个色散零点。

[参考文献]

[1]L.Zhang et al.Opt.Express,vol.18,p.20529,2010。

[2]L.Zhang et al.Optics Letters,vol.38,p.5122,2013。

发明内容

由于先前报道的用于进行色散调控的波导对加工条件的要求高，针对现有技术的缺陷，本发明提出新的色散控制方法，可减少色散调控所需的结构参数，降低对加工条件的要求。

同时基于本波导的设计，可以产生5个零色散波长点，这是目前为止色散零点数目最多的报导。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种新型光波导结构，包括位于基底上面的波导芯区，所述波导芯区设有包层；所述波导芯区由内外两层不同折射率的材料构成；内层需要进行沉积以及刻蚀两种工艺，外层则只需要进行沉积工艺，所述两层不同折射率的材料的折射率比值≥1.15，并且该波导可产生5个色散零点。

进一步讲，所述两层不同折射率的材料从以下的第一组合、第二组合和第三组合的同一种组合中选择；第一组合是指硫系玻璃组合，包括有低折射率的S基玻璃、高折射率的Se基玻璃和Te基玻璃；所述S基玻璃至少包括Ge₂S₃、As₂S₃、Ge_xAs_yS_z和Ge_xP_yS_z，所述Se基玻璃至少包括Ge₂Se₃、As₂Se₃、Ge_xAs_ySe_z、Ge_xSb_ySe_z和Ge_xP_ySe_z，所述Te基玻璃至少包括Ge_xSb_yTe_z、Ge_xSe_yTe_z和As_xSe_yTe_z；其中，x，y，z表示不同的摩尔配比，且x+y+z＝100。第二组合至少包括TiO₂、HfO₂、Al₂O₃、SiO₂、Ga₂O₃、Ta₂O₃、AlN和Si₃N₄；第三组合至少包括Ge，SiC，Si，Al₂O₃，Diamond，InP，GaAs。

利用上述芯片上集成的光波导结构的色散控制方法是：首先，设计光波导的一组结构尺寸参数，所述一组结构尺寸参数包括波导芯区与基底接触面的宽度W、波导芯区A层的厚度H和波导芯区B层的厚度C，然后，根据光在该光波导内的传输常数对波长的二阶导数得到一条色散曲线。所述色散曲线是一条具有5个色散零点的色散曲线，所述色散曲线在两个倍频程的宽带波长范围内的变化量≤100ps/nm/km。

通过增大波导芯区与基底接触面的宽度W，使得色散曲线向反常色散值增大的方向整体平移；

通过增大波导芯区A层的厚度H，使得色散曲线向反常色散值增大的方向整体平移；

通过增大波导芯区B层的厚度C，使得色散曲线以波长λ₀作为对称中心逆时针旋转，在波长小于λ₀时，向反常色散值减小的方向移动，在波长大于λ₀时，向反常色散值增大的方向移动。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

通过将前人设计的色散控制光波导的芯区变为内外两层，同时外层不用进行刻蚀，减小了色散控制波导所需的加工步骤，降低了对加工条件的要求。并且该结构可以产生5个色散零点，产生的平坦色散带宽超过两个倍频程。

附图说明

图1-1是本发明光波导结构的结构1横截面图示意图；

图1-2是本发明光波导结构的结构2横截面图示意图；

图1-3是本发明光波导结构的结构3横截面图示意图；

图1-4是本发明光波导结构的结构4横截面图示意图；

图2-1是色散随着波导芯区与基底接触面宽度W变化的位移图；

图2-2是色散随着高折射率材料的厚度H变化的位移图；

图2-3是色散随着低折射率材料的厚度C变化的位移图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

如图1-1和1-2所示，本发明提出的一种宽带色散控制波导，包括位于基底3上面的波导芯区；所述波导芯区包括A层1和B层2，所述A层1和B 2层由不同折射率的材料构成，所述A层1和B层2的材料的折射率比值≥1.15；其特征在于，所述A层1局部覆盖于所述基底3之上，从而形成了A层1和基底3的组合体，所述B层2覆盖住所述组合体的上面；所述A层1的横截面为矩形或梯形。

如图1-3和1-4所示，本发明宽带色散控制波导的所述基底的上部具有沿光传输方向的通槽，本发明中该通槽的形成建议采用腐蚀液腐蚀工艺，因此，在该通槽高度范围的材料采用所选择的腐蚀液可腐蚀的材料3，而基底底部的材料4采用该腐蚀液不可腐蚀的材料。另外，所述基底的顶部包括波导芯区的支撑层，为了加工方便，该支撑层的材料最好采用与A层材料相同的材料。

本发明中，宽带色散控制波导的所述波导芯区与基底接触面的宽度为W。该波导的W的数值可以是沿光传输方向渐变，即波导芯区沿光传输方向为拉锥。

本发明中，所述A层和B层的材料从以下的第一组合、第二组合和第三组合的同一种组合中选择；

第一组合是指硫系玻璃组合，包括有低折射率的S基玻璃、高折射率的Se基玻璃和Te基玻璃；所述S基玻璃至少包括Ge₂S₃、As₂S₃、Ge_xAs_yS_z和Ge_xP_yS_z，所述Se基玻璃至少包括Ge₂Se₃、As₂Se₃、Ge_xAs_ySe_z、Ge_xSb_ySe_z和Ge_xP_ySe_z，所述Te基玻璃至少包括Ge_xSb_yTe_z、Ge_xSe_yTe_z和As_xSe_yTe_z；其中，x，y，z表示不同的摩尔配比，且x+y+z＝100。

第二组合至少包括TiO₂、HfO₂、Al₂O₃、SiO₂、Ga₂O₃、Ta₂O₃、Bi₂O₃、AlN和Si₃N₄；

第三组合至少包括Ge，SiC，Si，Al₂O₃，Diamond，InP，GaAs。

利用本发明中提出的宽带色散控制波导实现色散控制的方法，首先，设计光波导的一组结构尺寸参数，所述一组结构尺寸参数包括波导芯区与基底接触面的宽度W、波导芯区A层1的厚度H和波导芯区B层2的厚度C，然后，根据光在该光波导内的传输常数对波长的二阶导数得到一条色散曲线。

通过合理的调整波导芯区与基底接触面的宽度W、波导芯区A层1的厚度H和波导芯区B 2层的厚度C中的一个或多个参数的数值，所得到的所述色散曲线可以是一条具有5个色散零点的色散曲线，而且该色散曲线在宽带波长范围内较为平坦，即所述色散曲线在两个倍频程的宽带波长范围内的变化量≤100ps/nm/km。

在所得到的的色散曲线的基础上，可以通过增大波导芯区与基底接触面的宽度W，使得色散曲线向反常色散值增大的方向整体平移；通过增大波导芯区A层1的厚度H，使得色散曲线向反常色散值增大的方向整体平移；通过增大波导芯区B层2的厚度C，使得色散曲线以波长λ₀作为对称中心逆时针旋转，在波长小于λ₀时，向反常色散值减小的方向移动，在波长大于λ₀时，向反常色散值增大的方向移动。

实施例：

如图1-1所示，所选光波导结构芯区由两种材料构成两层A层和B层结构，外层B层的材料2选用Ge₁₅Sb₂₀S₆₅，其折射率约为2.2，内层A层的材料1选用Ge₃₀Sb₁₀Se₆₀，其折射率约为2.6，基底3的材料选用CaF₂，折射率约为1.4，包层为空气，波导芯区的侧壁角度α为90°。采用FEM算法计算该波导结构中的TE模式基模的有效折射率，并且根据得到的有效折射率计算得到色散。首先，预设一组参数，包括波导芯区与基底3接触面宽度W＝2350nm，A层1的高度H＝1800nm，B层2的高度C＝1350nm，通过上述方法可得到一条色散随波长变化的曲线，该曲线具有5个零色散波长点，分别为2.94，4.18，7.36，11.32和14.86μm。并且该色散曲线十分平坦，如图2-1中中间位置的实线所示，色散最大值与最小值的差值为23ps/nm/km，对应的带宽为3到15μm，超过两个倍频程。

仅增大波导芯区与基底3接触面的宽度至W＝2500nm，该色散曲线向反常色散值增大的方向整体平移，平移量约为15ps/nm/km，反之减小该宽度至W＝2200nm，该曲线向反常色散值减小的方向整体平移，平移量约为-15ps/nm/km，如图2-1所示。

仅增大高折射率材料(即内层材料1)的厚度至H＝1900nm，该曲线向色散值增大的方向整体平移，平移量约为12ps/nm/km，反之减小该厚度至H＝1700nm，该曲线向反常色散值减小的方向整体平移，平移量约为-12ps/nm/km，如图2-2所示。

仅增大低折射率材料(即B层)的厚度至C＝1400nm，使得色散曲线以特定波长λ₀＝10μm作为对称中心逆时针旋转，在波长小于10μm时，向反常色散值减小的方向移动，整体平均移动量约为-6ps/nm/km，在波长大于10μm时，向反常色散值增大的方向移动，整体平均移动量约为9ps/nm/km，反之减小该厚度至C＝1300nm，使得色散曲线以波长为10μm作为对称中心顺时针旋转，在波长小于10μm时，向反常色散值增大的方向移动，整体平均移动量约为6ps/nm/km，在波长大于10μm时，向反常色散值减小的方向移动，整体平均移动量约为-9ps/nm/km，如图2-3所示。

本发明中通过灵活地改变三个结构参数的数值(W、H和C)可以实现色散控制。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (9)

1.一种宽带色散控制波导，包括位于基底上面的波导芯区，所述波导芯区设有包层；所述波导芯区包括A层和B层，所述A层和B层由不同折射率的材料构成，所述A层和B层的材料的折射率比值≥1.15；其特征在于，所述A层局部覆盖于所述基底之上，从而形成了A层和基底的组合体，所述B层覆盖住所述组合体的上面；所述A层的横截面为矩形或梯形。

2.根据权利要求1所述宽带色散控制波导，其特征在于，所述基底的上部具有沿光传输方向的通槽，所述基底的顶部包括波导芯区的支撑层。

3.根据权利要求1所述宽带色散控制波导，其特征在于，所述波导芯区与基底接触面的宽度为W，该W的数值沿光传输方向渐变。

4.根据权利要求2所述宽带色散控制波导，其特征在于，所述波导芯区与基底接触面的宽度为W，该W的数值沿光传输方向渐变。

5.根据权利要求1所述宽带色散控制波导，其特征在于，所述A层和B层的材料从以下的第一组合、第二组合和第三组合的同一种组合中选择；

第一组合是指硫系玻璃组合，包括有低折射率的S基玻璃、高折射率的Se基玻璃和Te基玻璃；

第二组合至少包括TiO₂、HfO₂、Al₂O₃、SiO₂、Ga₂O₃、Ta₂O₃、Bi₂O₃、AlN和Si₃N₄；

第三组合至少包括Ge，SiC，Si，Al₂O₃，Diamond，InP，GaAs。

6.根据权利要求5所述宽带色散控制波导，其特征在于，所述S基玻璃至少包括Ge₂S₃、As₂S₃、Ge_xAs_yS_z和Ge_xP_yS_z，所述Se基玻璃至少包括Ge₂Se₃、As₂Se₃、Ge_xAs_ySe_z、Ge_xSb_ySe_z和Ge_xP_ySe_z，所述Te基玻璃至少包括Ge_xSb_yTe_z、Ge_xSe_yTe_z和As_xSe_yTe_z；其中，x，y，z表示不同的摩尔配比，且x+y+z＝100。

7.一种基于宽带色散控制波导的色散控制方法，其特征在于，利用如权利要求1至4中任一所述宽带色散控制波导，首先，设计光波导的一组结构尺寸参数，所述一组结构尺寸参数包括波导芯区与基底接触面的宽度W、波导芯区A层的厚度H和波导芯区B层的厚度C，然后，根据光在该光波导内的传输常数对波长的二阶导数得到一条色散曲线。

8.根据权利要求7所述基于宽带色散控制波导的色散控制方法，其特征在于，所述色散曲线是一条具有5个色散零点的色散曲线，所述色散曲线在两个倍频程的宽带波长范围内的变化量≤100ps/nm/km。

9.根据权利要求8所述基于宽带色散控制波导的色散控制方法，其特征在于，通过增大波导芯区与基底接触面的宽度W，使得色散曲线向反常色散值增大的方向整体平移；

通过增大波导芯区A层的厚度H，使得色散曲线向反常色散值增大的方向整体平移；

通过增大波导芯区B层的厚度C，使得色散曲线以波长λ₀作为对称中心逆时针旋转，在波长小于λ₀时，向反常色散值减小的方向移动，在波长大于λ₀时，向反常色散值增大的方向移动。