CN109188599A

CN109188599A - 一种1530nm到1580nm波段范围内的双槽型大负色散波导

Info

Publication number: CN109188599A
Application number: CN201811273441.3A
Authority: CN
Inventors: 惠战强; 杨敏
Original assignee: Xian University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Xian University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2018-10-30
Filing date: 2018-10-30
Publication date: 2019-01-11
Anticipated expiration: 2038-10-30
Also published as: CN109188599B

Abstract

本发明提供了一种1530nm到1580nm波段范围内的双槽型大负色散波导，所述大负色散波导以二氧化硅为衬底，在衬底上左右两侧分别分布一个垂直型沟槽波导。其中左侧沟槽波导包括高材料折射率的氮化硅夹板层和低材料折射率的空气槽芯，右侧沟槽波导包括高材料折射率的硅夹板层和低材料折射率的二氧化硅槽芯。本发明利用沟槽波导实现对光波模场强有力地束缚，光波能量能在左右两侧的沟槽波导之间相互转移，实现负极值色散特性，一方面避免使用条形波导存在的模场发散问题，另一方面利用沟槽波导的多几何参数特性，使得色散特性灵活可调，同时使用大负色散波导对光纤通信系统的色散累积量进行补偿，避免了传统色散补偿光纤存在的物理尺寸过大问题。

Description

一种1530nm到1580nm波段范围内的双槽型大负色散波导

技术领域

本发明涉及光纤通信技术领域，尤其涉及的是一种面向片上光子网络，工作在1530nm到1580nm波长范围，具有极大负色散，可实现片上的色散补偿与基于色散的全光信号处理的大负色散光波导。

背景技术

光纤通信系统的色散，指光信号在光纤中传输时，因光波频率不同而造成介质响应不同，使得不同频率的光波保持不同传输速度，进而在光纤通信系统中出现脉冲展宽的现象。色散在一定程度上限制了当前光纤通信系统的传输容量与传输距离，因此，对当前光纤通信系统的色散累积量实现精确的补偿，可以提升光纤通信系统的性能。通常实现光纤通信系统的色散补偿方案有：(1)色散补偿光纤——这是光纤通信系统中应用最为成熟的色散补偿方案，但是在实际的应用过程中存在需要较长光纤的缺陷；(2)基于周期光栅的波导，未能在较宽的波段范围内对色散累积量进行补偿，不适于密集波分复用系统；(3)单芯和双芯环形结构波导，未能提供精确的色散补偿且色散抖动大，在一定程度上限制了其应用。要实现对光纤通信系统的色散精确补偿，就需设计优化出具有极值色散特性且色散半极大全宽较大的光学器件。同时，具有极大色散值的光器件在图像串行编码技术、时间透镜技术、全光积分器、光纤光栅波长调解技术等众多领域都有着广泛的应用。近年来得益于硅基波导的发展，片上光子集成技术成为研究领域的前沿，在片上实现色散累积量的补偿，以及开展基于色散的光信号处理，会为未来光子器件微型化提供便利。

沟槽波导的出现丰富了微纳光波导器件的设计，因其存在较多的几何结构参数，使得光学特性灵活可调，同时，沟槽波导较强的模场束缚能力，使得模场能稳定存在槽芯。利用沟槽波导实现极值色散特性可有效避免模场的泄露，使得波导的色散、非线性特性对波导的几何尺寸更为敏感。在以往的设计中，研究人员通常利用条形波导和沟槽波导之间模场转移来实现极值色散特性，比较典型的结果有Zhang等人所报道的极值色散数值为-181520ps/nm/km，Nandam Ashok等人报道的极值色散数值为-73000ps/nm/km，Minwan Jung等人报道的色散极值数值为-146000ps/nm/km，Vidhi Mann等人报道的色散极值数值为-480000ps/nm/km，就以上设计而言，存在的共性是利用沟槽波导和条形波导之间的模场转移来实现特定波长处的极值色散特性，实现的色散极值大小在10⁴ps/nm/km到10⁵ps/nm/km量级之间，相较于条槽混合型大负色散波导，双槽混合型大负色散波导可有效避免模场的发散，实现模场在两种沟槽波导的有效转移进而形成极值色散特性。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的是提供一种1530nm到1580nm波段范围内的双槽型大负色散波导。

本发明采用的技术方案是：

一种1530nm到1580nm波段范围内的双槽型大负色散波导，

在大负色散波导的端面上，二氧化硅做衬底，其上分布着两个垂直型沟槽波导，其中左侧沟槽波导利用高折射率氮化硅(在λ＝1550nm处，折射率n＝1.98)作为夹板层，空气(在λ＝1550nm处，折射率n＝1)为槽芯，右侧沟槽波导利用高折射率的硅(在λ＝1550nm处，折射率n＝3.48)材料作为夹板层，低折射率的二氧化硅(在λ＝1550nm处，折射率n＝1.44)作为槽芯，左右两个沟槽波导在二氧化硅衬底上成垂直型分布，以空气媒介隔开，所述的双槽型大负色散波导可实现对色散特性的有效调控。

从横截面来看，衬底二氧化硅水平方向上长度为L，垂直方向上高度为H，以二氧化硅作为衬底可实现与CMOS工艺的有效兼容，在衬底上左右两侧各分布一个垂直型沟槽波导，左右两侧沟槽波导以空气媒介隔开，其间距为L_a。

进一步地，所述的左侧沟槽波导利用高材料折射率氮化硅作为夹板层，其水平方向上的宽度为L₁，垂直方向上的高度为H₁，利用低材料折射率的空气作为槽芯，水平方向上的宽度为S₁，其在垂直方向上与高材料折射率的夹板层有同样高度H₁。

进一步地，所述的右侧沟槽波导利用高材料折射率硅作为夹板层，其水平方向上的宽度为L₂，垂直方向上的高度为H₂，低材料折射率的二氧化硅为槽芯，水平方向上的宽度为S₂，其在垂直方向上与高材料折射率的夹板层有同样高度H₂。

进一步地，所述双槽型大负色散波导可实现的最大色散数值为-385900ps/nm-km，可实现的最大色散半极大全宽为25.8nm。改变沟槽波导的几何参数，在光纤通信波长1550nm处所实现的色散数值大小为-364500ps/nm-km，此时对应的色散半极大全宽为6.3nm，可实现对现有光纤通信系统的色散补偿。

本发明针对光纤通信系统色散累积量的补偿问题，提出一种双槽型大负色散波导，利用左右两侧沟槽波导之间的模场转移，实现极大负色散数值，一方面避免了采用条形波导存在的模场发散问题，另一方面利用沟槽波导的多几何参数特性，使得色散特性灵活可调，同时避免了传统色散补偿光纤存在需要较长光纤问题。

附图说明

图1为双槽型大负色散波导的结构示意图；

图2为双槽型大负色散波导不同几何参数下色散特性；

图2(a)中，分别计算了当双槽波导结构参数设置为L_a＝662.39nm、L_a＝762.39nm、L_a＝862.39nm、L_a＝962.39nm、L_a＝1062.39nm时，其色散与波长的关系。

图2(b)中，分别计算了双槽波导的极大色散值、色散半极大全宽值(FWHM，Fullwidth half maximum)与波导结构参数L_a的关系。

图2(c)中，分别计算了当双槽波导结构参数设置为H₁＝360nm、H₁＝355nm、H₁＝350nm、H₁＝345nm、H₁＝340nm时，其色散与波长的关系，。

图2(d)中，分别计算了双槽波导的极大色散值、色散半极大全宽值(FWHM，Fullwidth half maximum)与波导结构参数H₁的关系。

图2(e)中，分别计算了当双槽波导结构参数设置为L1＝565nm、L₁＝567nm、L₁＝569nm、L₁＝571nm、L₁＝573nm时，其色散与波长的关系。

图2(f)中，分别计算了双槽波导的极大色散值、色散半极大全宽值(FWHM，Fullwidth half maximum)与波导结构参数H₁的关系。

图2(g)中，分别计算了当双槽波导结构参数设置为S₁＝25.2nm、S₁＝27.2nm、S₁＝29.2nm、S₁＝31.2nm、S₁＝33.2nm时，其色散与波长的关系。

图2(h)中，分别计算了双槽波导的极大色散值、色散半极大全宽值(FWHM，Fullwidth half maximum)与波导结构参数S₁的关系。

图2(i)中，分别计算了当双槽波导结构参数设置为H₂＝422nm、H₂＝427nm、H₂＝432nm、H₂＝437nm、H₂＝442nm时，其色散与波长的关系。

图2(j)中，分别计算了双槽波导的极大色散值、色散半极大全宽值(FWHM，Fullwidth half maximum)与波导结构参数H₂的关系。

图2(k)中，分别计算了当双槽波导结构参数设置为L2＝137nm、L₂＝137.4nm、L₂＝137.8nm、L₂＝138.2nm、L₂＝138.6nm时，其色散与波长的关系。

图2(l)中，分别计算了槽波导的极大色散值、色散半极大全宽值(FWHM，Fullwidth half maximum)与波导结构参数L₂的关系。

图2(m)中，分别计算了当槽波导结构参数设置为S₂＝58.5nm、S₂＝61nm、S₂＝63.5nm、S₂＝66nm、S₂＝68.5nm时，其色散与波长的关系。

图2(n)中，分别计算了槽波导的极大色散值、色散半极大全宽值(FWHM，Fullwidth half maximum)与波导结构参数S₂的关系。

图3为双槽型大负色散波导不同波长处的模场分布图；

图4为1550nm波长处的色散对称模和色散反对称模。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

参照图1至图4，本发明公开了一种1530nm到1580nm波段范围内的双槽型大负色散波导，该大负色散波导为双沟槽混合型，包括位于底层的二氧化硅衬底，二氧化硅衬底在水平方向上宽度L＝3000nm，垂直方向上高度H＝500nm，采用二氧化硅材料作衬底可实现与现有CMOS制作工艺的兼容，易于实现器件的集成化。在衬底上，左右两侧的垂直型沟槽波导以空气媒介隔开，间距为L_a。

所述的左侧沟槽波导在水平方向上，高材料折射率夹板层宽度为L₁＝571nm，垂直方向上，高材料折射率夹板层的高度H₁＝360nm，所述的左侧沟槽波导在水平方向上，低材料折射率槽芯宽度为S₁＝25.2nm。

所述的右侧沟槽波导在水平方向上，高材料折射率夹板层宽度为L₂＝137nm，垂直方向上，高材料折射率夹板层的高度H₂＝422nm，所述的右侧沟槽波导在水平方向上，低材料折射率槽芯宽度为S₂＝58.5nm。

依据以上参数设置，所述大负色散波导在几何参数改变的情况下，可实现的最大色散数值为-385900ps/nm-km，可实现的最大色散半极大全宽为25.8nm。改变沟槽波导的几何参数，在光纤通信波长1550nm处所实现的色散数值大小为-364500ps/nm-km，此时对应的色散半极大全宽为6.3nm，可实现对光纤通信系统的片上色散补偿。

通过在衬底上制作沟槽波导，利用沟槽波导的高材料折射率差异造成了对模场的有效束缚，使得模场能稳定存在槽芯区域。采用时域有限差分法结合完美匹配吸收边界条件，求解波导端面上电磁场麦克斯韦方程组，最终确定了该大负色散波导的基模有效折射率、色散等光学特性。图1所示为波导结构示意图，图2中的(a)-(n)给出了改变波导的几何参数情况下，其色散和色散半极大全宽特性，图3为在特定参数下的光波模场分布情况示意图，图4为光纤通信系统通信波长1550nm附近形成的色散对称模和反色散对称模。

参照图2，图2为双槽型大负色散波导不同几何参数下色散特性；

图2(a)中，分别计算了当双槽波导结构参数设置为L_a＝662.39nm、L_a＝762.39nm、L_a＝862.39nm、L_a＝962.39nm、L_a＝1062.39nm时，其色散与波长的关系，由图可得结论：当选取L_a＝1062.39nm时，色散数值最大。

图2(b)中，分别计算了双槽波导的极大色散值、色散半极大全宽值(FWHM，Fullwidth half maximum)与波导结构参数L_a的关系，由图可得结论：随着L_a增大，极大色散数值增大，色散半极大全宽值减小。

图2(c)中，分别计算了当双槽波导结构参数设置为H₁＝360nm、H₁＝355nm、H₁＝350nm、H₁＝345nm、H₁＝340nm时，其色散与波长的关系，由图可得结论：当选取H₁＝360nm时，色散数值最大。

图2(d)中，分别计算了双槽波导的极大色散值、色散半极大全宽值(FWHM，Fullwidth half maximum)与波导结构参数H₁的关系，由图可得结论：随着H₁增大，极大色散数值增大，色散半极大全宽值减小。

图2(e)中，分别计算了当双槽波导结构参数设置为L₁＝565nm、L₁＝567nm、L₁＝569nm、L₁＝571nm、L₁＝573nm时，其色散与波长的关系，由图可得结论：当选取L₁＝571nm时，色散数值最大。

图2(f)中，分别计算了双槽波导的极大色散值、色散半极大全宽值(FWHM，Fullwidth half maximum)与波导结构参数H₁的关系，由图可得结论：随着L₁增大，极大色散数值先增大后减小，色散半极大全宽值先减小后增大。

图2(g)中，分别计算了当双槽波导结构参数设置为S₁＝25.2nm、S₁＝27.2nm、S₁＝29.2nm、S₁＝31.2nm、S₁＝33.2nm时，其色散与波长的关系，由图可得结论：当选取S₁＝25.2nm时，色散数值最大。

图2(h)中，分别计算了双槽波导的极大色散值、色散半极大全宽值(FWHM，Fullwidth half maximum)与波导结构参数S₁的关系，由图可得结论：随着S₁增大，极大色散数值减小，色散半极大全宽值增大。

图2(i)中，分别计算了当双槽波导结构参数设置为H₂＝422nm、H₂＝427nm、H₂＝432nm、H₂＝437nm、H₂＝442nm时，其色散与波长的关系，由图可得结论：当选取H₂＝422nm时，色散数值最大。

图2(j)中，分别计算了双槽波导的极大色散值、色散半极大全宽值(FWHM，Fullwidth half maximum)与波导结构参数H₂的关系，由图可得结论：随着H₂增大，极大色散数值减小，色散半极大全宽值增大。

图2(k)中，分别计算了当双槽波导结构参数设置为L₂＝137nm、L₂＝137.4nm、L₂＝137.8nm、L₂＝138.2nm、L₂＝138.6nm时，其色散与波长的关系，由图可得结论：当选取L₂＝137nm时，色散数值最大。

图2(l)中，分别计算了双槽波导的极大色散值、色散半极大全宽值(FWHM，Fullwidth half maximum)与波导结构参数L₂的关系，由图可得结论：随着L₂增大，极大色散数值减小，色散半极大全宽值增大。

图2(m)中，分别计算了当双槽波导结构参数设置为S₂＝58.5nm、S₂＝61nm、S₂＝63.5nm、S₂＝66nm、S₂＝68.5nm时，其色散与波长的关系，由图可得结论：当选取S₂＝58.5nm时，色散数值最大。

图2(n)中，分别计算了双槽波导的极大色散值、色散半极大全宽值(FWHM，Fullwidth half maximum)与波导结构参数S₂的关系，由图可得结论：随着S₂增大，极大色散数值减小，色散半极大全宽值也减小。

结论：由图2(a)-(n)可知，所设计双槽波导的极大色散值、色散半极大全宽值均随结构参数变化而变化，这些变化曲线为我们优化波导结构提供了参考,根据上述曲线得到最优波导结构参数为：La＝1062.39nm，H₁＝360nm，L₁＝571nm，S₁＝25.2nm，H₂＝422nm，L₂＝137nm，S₂＝58.5nm。

图3为双槽型大负色散波导不同波长处的模场分布图；由图可知，当光波波长为1520nm时，光场分布在右边的槽中；当光波波长为1550nm时，一部分光场移至到左边的槽中；当光波波长为1580nm时，光场完全分布在左边的槽中。总之，在不同波长处，光场均能被限制在沟槽中)

本发明采用自行设计的双沟槽波导，在1530nm到1580nm波段内实现了极值色散特性；同时，由于沟槽波导存在几何参数灵活多变的特性，最终在所研究的1530nm到1580nm波段内，实现的最大色散数值为-385900ps/nm-km，实现的最大色散半极大全宽为25.8nm，同时调整波导的几何参数，在光纤通信系统通信波长1550nm附近实现的最大色散数值为-364500ps/nm-km，此时对应的色散半极大全宽为6.3nm，可实现对现有光纤通信系统的色散有效补偿。所设计的双槽型大负色散波导具有大负色散特性、大的色散半极大全宽，对今后光纤通信系统的片上色散补偿具有重要的指导意义。

以上对本发明实施例所公开的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体实施例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种1530nm到1580nm波段范围内的双槽型大负色散波导，其特征在于，在大负色散波导的端面上，二氧化硅做衬底，其上分布着两个垂直型沟槽波导，其中左侧沟槽波导利用在λ＝1550nm处折射率n＝1.98氮化硅作为夹板层，空气为槽芯，右侧沟槽波导利用在λ＝1550nm处折射率n＝3.48硅材料作为夹板层，在λ＝1550nm处折射率n＝1.44的二氧化硅作为槽芯，左右两个沟槽波导在二氧化硅衬底上成垂直型分布，以空气隙隔开，所述的双槽型大负色散波导可实现对色散特性的有效调控。

2.根据权利要求1所述的1530nm到1580nm波段范围内的双槽型大负色散波导，其特征在于，所述的二氧化硅衬底在水平方向上长度L＝3000nm，垂直方向上高度H＝500nm。

3.根据权利要求1所述的1530nm到1580nm波段范围内的双槽型大负色散波导，其特征在于，所述的左侧沟槽波导在水平方向上的高折射率夹板层宽度为L₁＝571nm，垂直方向上高折射率夹板层的高度H₁＝360nm，所述的左侧沟槽波导在水平方向上的低折射率槽芯宽度为S₁＝25.2nm，垂直方向上低折射率材料槽芯高度H₁＝360nm。

4.根据权利要求1所述的1530nm到1580nm波段范围内的双槽型大负色散波导，其特征在于，所述的右侧沟槽波导在水平方向上的高折射率夹板层长度为L₂＝137nm，垂直方向上高折射率夹板层的高度H₂＝422nm，所述的右侧沟槽波导在水平方向上低材料折射率槽芯长度为S₂＝58.5nm，垂直方向上低材料折射率槽芯高度H₂＝422nm。