CN110927871A - 宽带温度不敏感及低色散的光波导结构及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种宽带温度不敏感及低色散的光波导结构，特征在于：包括基底层、条状波导层及覆盖层，所述基底层外部包裹所述条状波导层，所述条状波导层外部包裹所述覆盖层，所述覆盖层与所述条状波导层形成波导芯区。本发明还涉及一种宽带温度不敏感及低色散的光波导结构的设计方法，所述设计方法的步骤为：1)预设条状波导层的宽度W，高度H，覆盖层厚度C；2)计算有效折射率改变量；3)计算色散；4)调整确定条状波导层的宽度W，高度H，覆盖层厚度C，有效折射率在1K的改变量控制在比较低的范围，如±1×10‑6/K。本发明设计科学合理，光波导结构具有宽带温度不敏感和低色散的特性，能够用于各类集成光器件，在宽波长范围内对温度不敏感，极大的提升器件性能。

Description

宽带温度不敏感及低色散的光波导结构及其设计方法
技术领域
本发明属于集成光学技术领域，涉及光波导结构，特别涉及宽带温度不敏感及低色散的光波导结构及其设计方法。
背景技术
材料的热光效应是指随温度的变化引起材料的折射率发生改变的现象。大多数芯片的材料是正热光系数，温度升高材料折射率增加，例如Si、SiC、SiN等；少数是负热光系数材料，温度升高材料折射率降低，例如TiO2、Polymer、SrTiO3。近年来，硅基光子集成回路由于具有高度的集成化和成熟的CMOS加工工艺得到迅速发展。硅材料具有高非线性系数等优势，然而，它同时具有较大的热光系数(1.84×10-4/K)，外界环境的温度改变会导致有效折射率的较大变。当硅波导用于微环谐振腔时，会使谐振波长发生漂移。为了避免漂移的发生，设计加工温度不敏感的器件成为急需解决的问题。
对于设计温度不敏感的器件，可以采用正热光系数材料和具有负热光系数的聚合物设计器件，达到温度升高器件性能变化不明显的目的。但是聚合物具有低的分解温度和不兼容CMOS的劣势，故而使用场合受限。这几年有研究人员利用负热光系数的TiO2设计结构来获得温度不敏感的器件，但是仅限于单波长获得温度不敏感，不适用于WDM设备和宽带非线性设备的使用。为了保证微环谐振腔的谐振波长随温度漂移量(TDWS)控制在可接受的范围内，希望能设计宽带的温度不敏感器件。
另外，色散是光波导的重要参数，低色散可以实现基于四波混频的光参量放大器的宽带相位匹配过程，倍频程相干光源超连续谱的产生、超短脉冲的压缩、基于腔孤子的锁模宽带克尔频率梳的产生，在下一代宽带光通信、全光信号处理、传感与成像等领域有重要的应用。
因此，本专利申请旨在设计一个能够同时具有宽带温度不敏感和低色散的光波导结构，可以应用在光波导、光谐振器、马赫曾德尔干涉器(Mach-Zehnder interferometerMZI)、光调制器、光滤波器阵列波导光栅(arrayed waveguide gratingAWG)、雷达(Lidar)、光纤陀螺和激光器等各类光集成器件，在宽波长范围内对温度不敏感，极大提升器件性能。
通过对公开专利文献的检索，并未发现与本专利申请相同或相似的公开专利文献。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种同时具有宽带温度不敏感和低色散的光波导结构及其设计方法，能够用于非线性的场合并对温度不敏感，能够极大的提升器件性能。
本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：
一种宽带温度不敏感及低色散的光波导结构，其特征在于：包括基底层、条状波导层及覆盖层，所述基底层外部包裹所述条状波导层，所述条状波导层外部包裹所述覆盖层，所述覆盖层与所述条状波导层形成波导芯区。
而且，所述条状波导层侧壁与所述基底层上表面的外夹角为50～130°。
而且，所述基底层与条状波导层之间设置有板状层，所述板状层与条状导波层及覆盖层形成波导芯区。
而且，条状波导层为正热光系数材料或负热光系数材料，所述覆盖层为负热光系数材料或正热光系数材料；所述板状层为正热光系数材料或负热光系数材料。
而且，所述正热光系数材料为SiC或SiN或silicon-richnitride(SRN)等正热光系数材料；所述负热光系数材料为TiO2或Polymer或SrTiO3等负热光系数材料。
而且，所述基底层为硅晶片或Al2O3或SOI片等晶圆片。
而且，所述结构应用在光波导、光谐振器、马赫曾德尔干涉器(Mach-ZehnderinterferometerMZI)、光调制器、光滤波器阵列波导光栅(arrayed waveguide gratingAWG)、雷达(Lidar)、光纤陀螺和激光器等光集成器件，在宽波长范围内对温度不敏感，极大提升器件性能。
一种宽带温度不敏感及低色散的光波导结构的设计方法，其特征在于：所述设计方法的步骤为：
1)初选预设条状波导层的宽度W，高度H，覆盖层厚度C；
2)根据预设的数值，通过电磁场计算方法获得光波导结构的有效折射率，再通过软件程序计算该有效折射率在温度进行1K变化时，有效折射率的改变量；
3)根据步骤2)计算出的有效折射率计算光波导结构的色散D，
Figure BDA0002261732220000021
其中：λ是波长；
c是真空中光速；
neff是电磁场计算方法获得的有效折射率；
4)调整条状波导层的宽度W，高度H，覆盖层厚度C，其中宽度W数值范围为500～930mm，高度H数值范围为315-585mm，厚度C数值范围为147～273mm，根据温度进行1K变化时，有效折射率的改变量建立TOC曲线，根据有效折射率的改变，获得色散曲线，通过调整条状波导层的宽度W，高度H，覆盖层厚度C，确定合适数值，将有效折射率在1K的改变量控制在比较低的范围，如±1×10-6/K。
本发明的优点和有益效果为：
1、本发明的宽带温度不敏感及低色散的光波导结构，在现有的波导结构基础上，可以进行其他波段的温度不敏感波导结构设计，利用其他材料得到有效折射率随波长的变化曲线，为类抛物线曲线，能够用于非线性的场合并对温度不敏感，能够极大的提升器件性能。
2、本发明的宽带温度不敏感及低色散的光波导结构，有效折射率随温度变化不敏感在宽波长范围内实现，将使得谐振峰在很宽的波长范围内随温度变化也不敏感，这对于设计微型谐振腔滤波器具有极其重要的意义。
3、本发明的宽带温度不敏感及低色散的光波导结构，与现有结构只具备单波长温度不敏感特性相比，还具有宽带的温度不敏感特性，且具有较低色散数值。
附图说明
图1是本发明光波导结构的结构横截面示意图；
图2是本发明光波导结构的另一种横截面示意图；
图3是本发明光波导结构的另一种结构横截面示意图；
图4是本发明光波导结构的模式场分布图；
图5是条状波导层宽度改变形成的色散和TOC曲线图；
图6是条状波导层高度改变形成的色散和TOC曲线图；
图7是覆盖层厚度改变形成的色散和TOC曲线图。
附图标记说明
1-条状波导层、2-覆盖层、3-板状层、4-基底层。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
一种宽带温度不敏感及低色散的光波导结构，其创新之处在于：包括基底层4、条状波导层1及覆盖层2，基底层外部包裹条状波导层，条状波导层外部包裹覆盖层，覆盖层与条状波导层形成波导芯区。
条状波导层侧壁与所述基底层上表面的外夹角为50～130°，如图2所示。
基底层与条状波导层之间设置有板状层3，板状层与条状导波层及覆盖层形成波导芯区，如图3所示。
条状波导层为正热光系数材料或负热光系数材料，覆盖层为负热光系数材料或正热光系数材料；板状层为正热光系数材料或负热光系数材料。
正热光系数材料为SiC或SiN或silicon-richnitride(SRN)等正热光系数材料；所述负热光系数材料为TiO2或Polymer或SrTiO3等负热光系数材料。
基底层为硅晶片或Al2O3或SOI片等晶圆片。
一种宽带温度不敏感及低色散的光波导结构的设计方法，其创新之处在于：该设计方法的步骤为：
1)初选预设条状波导层的宽度W，高度H，覆盖层厚度C；
2)根据预设的数值，通过电磁场计算方法获得光波导结构的有效折射率，再通过软件程序计算该有效折射率在温度进行1K变化时，有效折射率的改变量；
3)根据步骤2)计算出的有效折射率计算光波导结构的色散D，
Figure BDA0002261732220000041
其中：λ是波长；
c是真空中光速；
neff是电磁场计算方法获得的有效折射率；
4)调整条状波导层的宽度W，高度H，覆盖层厚度C，其中宽度W数值范围为500～930mm，高度H数值范围为315～585mm，厚度C数值范围为147～273mm，根据温度进行1K变化时，有效折射率的改变量建立TOC曲线，根据有效折射率的改变，获得色散曲线，通过调整条状波导层的宽度W，高度H，覆盖层厚度C，确定合适数值，将有效折射率在1K的改变量控制在比较低的范围，如±1×10-6/K。
如图4所示，随着波长从1700nm到2460nm的模式场演变，可以看出，模式场一直同时处于正负热光系数材料结构中，可以获得相似的比例，故而能够得到在宽波长范围依然保持低的有效TOC值，对温度的改变不敏感。
具体的调节方法为：
1、通过增加条状的宽度W，可以增加负热光系数材料TiO2的模式场比例，有效TOC曲线会下移，如图5所示；
2、通过增加条状的高度H，可以增加负热光系数材料TiO2的模式场比例，有效TOC曲线会下移，如图6所示；
3、通过增加覆盖层厚度C，可以增加正热光系数材料SiC的模式场比例，有效TOC曲线会上移，如图7所示。
色散是有效折射率的二阶导数，需要根据规律逐步调节，具体内容是：
1、通过增加条状的宽度，色散曲线以2微米为中心逆时针旋转，如图5所示；
2、通过增加条状的高度，色散曲线在短波长处几乎不受影响，在长波长处出现整体上移，如图6所示；
3、通过增加覆盖层的厚度，色散曲线以2微米为中心逆时针旋转，如图7所示。
通过调节W、H、C这三个参数，可以调节优化有效TOC和色散曲线。如图1所示，条状波导层选择TiO2，覆盖层选择SiC，最外层是空气，条状侧壁和基底的角度为88°。
为了研究光波导的特性，利用FEM算法计算有效折射率，再通过MATLAB软件计算有效TOC和色散曲线。经过对尺寸的优化，可以得到条状宽度W＝715nm，高度H＝450nm，覆盖薄层厚度C＝210nm时，在这个尺寸下有效TOC曲线±1×10-6/K的带宽是波长从1.68μm到2.46μm，相同带宽下色散值是从1ps/nm/km到69ps/nm/km。如图5所示，当W增加15nm时，波长2.1μm处的有效TOC曲线下移约6×10-7/K，色散曲线基本不变。如图6所示，当H增加10nm时，波长2.1μm处的有效TOC曲线下移约1.1×10-6/K，色散曲线增加约9ps/nm/km。如图7所示，当C增加5nm时，波长2.1μm处的有效TOC曲线上移约1.7×10-6/K，色散曲线基本不变。
尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (8)

1.一种宽带温度不敏感及低色散的光波导结构，其特征在于：包括基底层、条状波导层及覆盖层，所述基底层外部包裹所述条状波导层，所述条状波导层外部包裹所述覆盖层，所述覆盖层与所述条状波导层形成波导芯区。
2.根据权利要求1所述的宽带温度不敏感及低色散的光波导结构，其特征在于：所述条状波导层侧壁与所述基底层上表面的外夹角为50～130°。
3.根据权利要求1所述的宽带温度不敏感及低色散的光波导结构，其特征在于：所述基底层与条状波导层之间设置有板状层，所述板状层与条状导波层及覆盖层形成波导芯区。
4.根据权利要求1所述的宽带温度不敏感及低色散的光波导结构，其特征在于：条状波导层为正热光系数材料或负热光系数材料，所述覆盖层为负热光系数材料或正热光系数材料；所述板状层为正热光系数材料或负热光系数材料。
5.根据权利要求4所述的宽带温度不敏感及低色散的光波导结构，其特征在于：所述正热光系数材料为SiC或SiN或silicon-rich nitride(SRN)等正热光系数材料；所述负热光系数材料为TiO2或Polymer或SrTiO3等负热光系数材料。
6.根据权利要求1所述的宽带温度不敏感及低色散的光波导结构，其特征在于：所述基底层为硅晶片或Al2O3或SOI片等晶圆片。
7.根据权利要求1所述的宽带温度不敏感及低色散的光波导结构，其特征在于：所述结构应用在光波导、光谐振器、马赫曾德尔干涉器(Mach-Zehnder interferometer MZI)、光调制器、光滤波器阵列波导光栅(arrayed waveguide gratingAWG)、雷达(Lidar)、光纤陀螺和激光器等光集成器件，在宽波长范围内对温度不敏感，极大提升器件性能。
8.根据权利要求1所述的宽带温度不敏感及低色散的光波导结构的设计方法，其特征在于：所述设计方法的步骤为：
1)初选预设条状波导层的宽度W，高度H，覆盖层厚度C；
2)根据预设的数值，通过电磁场计算方法获得光波导结构的有效折射率，再通过软件程序计算该有效折射率在温度进行1K变化时，有效折射率的改变量；
3)根据步骤2)计算出的有效折射率计算光波导结构的色散D，
Figure FDA0002261732210000011
其中：λ是波长；
c是真空中光速；
neff是电磁场计算方法获得的有效折射率；
4)调整条状波导层的宽度W，高度H，覆盖层厚度C，其中宽度W数值范围为500～930mm，高度H数值范围为315-585mm，厚度C数值范围为147～273mm，根据温度进行1K变化时，有效折射率的改变量建立TOC曲线，根据有效折射率的改变，获得色散曲线，通过调整条状波导层的宽度W，高度H，覆盖层厚度C，确定合适数值，将有效折射率在1K的改变量控制在比较低的范围。
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