CN111090146A - 一种宽带温度不敏感和低色散的铌酸锂光波导结构及其应用 - Google Patents

一种宽带温度不敏感和低色散的铌酸锂光波导结构及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种宽带温度不敏感和低色散的铌酸锂光波导结构，包括铌酸锂平板层，所述铌酸锂平板层上面设置有条状铌酸锂层；平板层和条状层铌酸锂上面有TiO2覆盖层；平板层下面是SiO2衬底层；本发明提出了利用具有负热光系数的TiO2覆盖到刻蚀的铌酸锂芯片上获得对温度不敏感的宽带低色散光波导，该结构能够加工成各种集成光子器件，可以极大提升器件性能。

Description

一种宽带温度不敏感和低色散的铌酸锂光波导结构及其应用
技术领域
本发明属于集成光学技术领域，涉及光波导结构，特别涉及一种宽带温度不敏感和低色散 的铌酸锂光波导结构及其应用。
背景技术
温度改变能够使得材料的特性发生改变，在光学领域这一重要改变称为热光效应。随着温 度的改变引起材料折射率发生变化的现象称为材料的热光效应。根据温度的升高引起材料折 射率增加或者降低，可以分成正热光系数和负热光系数两类材料。温度的升高引起材料折射 率升高的是正热光系数材料，大多数芯片上材料都是这类，例如Si、SiC、SiN等；温度的升 高引起材料折射率降低是负热光系数材料，TiO2、Polymer、SrTiO3等是此类材料。
铌酸锂材料在光学领域具有广泛应用，该材料具有大的二阶非线性极化率(χ(2)＝30pm/V)， 大的压电响应(C33～250C/m2)，宽的光透明窗口(350nm到5μm)和高折射率(～2.2)。 随着纳米加工技术的发展，可以将商用的铌酸锂芯片进行刻蚀加工器件应用于研究，例如产 生频率梳、电光效应等。铌酸锂的热光系数(～3.3×10-5/K)，当铌酸锂材料集成的器件温度 发生改变时，材料的有效折射率发生改变，进而会影响器件性能。所以设计具有宽带温度不 敏感的铌酸锂器件成为亟待解决的问题。
根据正负热光系数材料对温度改变具有不同的反应，可以将这两类材料组合成混合的光波 导结构，从而达到整体的光波导器件对温度不敏感的目的。可以将具有负热光系数的聚合物 覆盖在正热光系数材料构成的光波导结构上，目前有研究机构采用这种方法，但是由于聚合 物具有低的分解温度和不兼容CMOS，使得这种方式的应用受到限制。采用TiO2取代聚合物 设计光波导结构，能够避免上述问题。部分研究机构有单波长的温度不敏感集成器件的设计， 但是不能解决宽波长范围内的温度问题。
低色散可以实现光波导的基于四波混频的光参量放大器宽带相位匹配过程，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。
具有宽波长范围内的温度不敏感特性又具有低色散的特性的集成器件的设计，对集成光子 器件的研究具有重要意义。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明提供一种具有宽带温度不敏感和低色散的铌酸锂 光波导结构。温度的升高会使得材料的折射率发生变化，进而影响集成器件的性能发生变化。 铌酸锂芯片刻蚀加工的器件也会遇到这样的问题，本发明提出了利用具有负热光系数的TiO2覆盖到刻蚀的铌酸锂芯片上获得对温度不敏感的宽带低色散光波导，该结构加工成集成光子 器件，能够实现宽带范围内温度不敏感，极大提升集成器件性能。
为了解决现有技术存在的问题，本发明采用如下技术方案：
一种宽带温度不敏感和低色散的铌酸锂光波导结构，包括铌酸锂平板层，所述铌酸锂平 板层上面设置有条状铌酸锂层；平板层和条状层铌酸锂上面有TiO2覆盖层；平板层下面是SiO2衬底层。通过调节该光波导结构的条状层的宽度、高度，平板层的厚度以及覆盖层的厚度， 可以将有效折射率在1K的改变量控制在比较低的范围(例如±1×10-6/K)。
所述波导结构尺寸的界定：在铌酸锂平板层和条状层总厚度一定的情况下，刻蚀加工形 成的条状层和平板层厚度分布要保证TOC曲线能够获得宽带温度不敏感结果，并能保证如果 制作成腐蚀掉SiO2的悬空结构平板层能够支撑上面结构重量；覆盖层的负热光系数层厚度要 保证能够获得宽带温度不敏感的结果。
该结构条状层和板状层的内夹角为钝角或者锐角。
覆盖层的TiO2可以是其他负热光系数材料，例如Polymer或SrTiO3等等。
衬底层的SiO2可以通过氢氟酸腐蚀加工成悬空结构，通过结构尺寸优化依然可以获得宽 带温度不敏感和低色散的结果。
该结构是由企业购买的铌酸锂晶片进行刻蚀沉积加工而成，所以SiO2衬底层下面可以是 Si或者铌酸锂结构，或者其他结构的铌酸锂晶片也可以设计加工成温度不敏感结构。
该结构可以应用在光波导、光谐振器、马赫曾德尔干涉器(Mach-Zehnderinterferometer MZI)、电光调制器、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。关于 电光调制器的应用，本发明仅给出了光场部分的设计，至于电极部分的设计和工艺可以参照 目前比较成熟的技术。
一种采用宽带温度不敏感和低色散的铌酸锂光波导结构调控TOC曲线，包括如下步骤：
第一，预设光波导一组结构尺寸参数计算得出有效TOC曲线；
第二，根据条状结构宽度和高度以及覆盖薄层的厚度三个尺寸改变对有效TOC曲线的影响规 律，不断优化曲线直到将有效折射率在1K的改变量控制在比较低的范围(例如±1×10-6/K)。 其中：在调控TOC曲线的同时兼顾色散曲线，保证TOC能够在比较低的范围(例如±1×10-6/K) 之内的前提下，根据尺寸对色散曲线的影响调控色散曲线，具体内容为：
1、增加条状宽度W，可以增加正热光系数铌酸锂的模场比例，有效TOC曲线上移；
2、增加条状高度H，可以增加正热光系数铌酸锂的模场比例，有效TOC曲线上移；
3、增加覆盖层厚度Hc，可以增加负热光系数TiO2的模场比例，有效TOC曲线下移；
4、增加板状厚度Hs，可以增加正热光系数铌酸锂的模场比例，有效TOC上移；
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、增加条状宽度W，色散曲线在短波长几乎没变化，在长波长上移；
2、增加条状高度H，色散曲线在多波长几乎没变化，在长波长略微上移；
3、增加覆盖层Hc厚度，色散曲线以1700nm为中心略微旋转，多波长下移；
4、增加板状层Hs厚度，色散曲线几乎没变化。
有益效果
针对现有技术中铌酸锂芯片的宽度温度不敏感和低色散光波导结构的需求，本发明设计 了利用具有负热光系数的TiO2覆盖到刻蚀的铌酸锂芯片上获得对温度不敏感的宽带低色散光 波导，该结构能够设计加工成各种集成光子器件，极大提升器件性能。
附图说明
图1是本发明光波导结构横截面示意图；
图2是本发明光波导结构的模场分布图；
图3是改变宽度对色散和TOC曲线的影响；
图4是改变条状的高度对色散和TOC曲线的影响；
图5是覆盖层厚度对色散和TOC曲线的影响；
图6是板状层厚度对色散和TOC曲线的影响；
图7是刻蚀角度对色散和TOC曲线的影响。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做出详细说明：
如图1所述，本发明光波导结构包括平板层3和条状层1铌酸锂以及覆盖层(TiO2)2作为波导芯区，芯区下面是衬底层SiO2，4，5是铌酸锂或者硅。铌酸锂晶圆最上面一层铌酸锂薄膜层经过刻蚀可以获得条状铌酸锂结构，在覆盖一层TiO2就可以加工出该结构。
光波导结构的有效折射率不仅仅依赖于波长，还跟模式、波导尺寸以及材料折射率有关。 TE基模。温度的改变引起材料折射率发生变化，进而改变波导的有效折射率，从而会引起波 导性能的改变。通过TOC曲线探讨温度变化1K光波导有效折射率的改变量，通过尺寸的设 计将改变量控制在±1×10-6/K以内。通过电磁场计算方法获得结构的有效折射率，再通过软 件程序计算得到有效折射率在1K内的改变量。
色散是有效折射率的二阶导数
Figure BDA0002285580370000041
其中λ是波长，c是真空中光速，neff是通过电磁场计算方法获得的有效折射率，D是色散。 有了电磁场计算方法获得的neff，通过软件程序能够获得色散曲线。
如图1所示，光波导是一种铌酸锂芯片上制作加工而成，该结构(如图1)包括板状(3) 和条状(1)铌酸锂以及覆盖层TiO2(2)作为波导芯区，芯区下面是SiO2(4)，5是铌酸锂或者硅。
图2是不同波长处光波导的模场分布，从图中可以看出模场同时处于正热光系数铌酸锂 和负热光系数TiO2中，故而能够在宽波长范围内依然保持低的有效TOC值，也就可以获得 温度不敏感器件。
获得低有效TOC曲线方法，首先预设一组光波导尺寸参数计算出不同波长有效TOC曲 线，其次根据条状结构的宽度W、高度H、覆盖层厚度Hc和板状厚度Hs四个尺寸对有效TOC曲线的影响规律，不断优化曲线知道获得宽带有效TOC达到比较低范围(例如±1× 10-6/K)的结果。具体内容是：
1、增加条状宽度W，可以增加正热光系数铌酸锂的模场比例，有效TOC曲线上移；
2、增加条状高度H，可以增加正热光系数铌酸锂的模场比例，有效TOC曲线上移；
3、增加覆盖层厚度Hc，可以增加负热光系数TiO2的模场比例，有效TOC曲线下移；
4、增加板状厚度Hs，可以增加正热光系数铌酸锂的模场比例，有效TOC上移；
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、增加条状宽度W，色散曲线在短波长几乎没变化，在长波长上移；
2、增加条状高度H，色散曲线在多波长几乎没变化，在长波长略微上移；
3、增加覆盖层Hc厚度，色散曲线以1700nm为中心略微旋转，多波长下移；
4、增加板状层Hs厚度，色散曲线几乎没变化；
5、增加角度θ，色散曲线在多波长几乎没变化，在长波长略微上移。
根据以上有效TOC和色散曲线的变化规律，可以对预设尺寸获得的曲线进行优化和调整， 直到曲线结果达到要求。
为了研究光波导的特性，利用电磁场计算方法计算有效折射率，再通过软件程序计算有 效TOC和色散曲线。所述波导结构优化尺寸范围是：宽度W为630～1170nm，在具体实施例 中选择900nm；高度H为420～780nm，在具体实施例中选择600nm；覆盖层厚度Hc为112～212nm，在具体实施例中选择162nm；板层Hs的厚度为140～260nm，在具体实施例中选 择200nm。经过对尺寸的优化，可以得到宽度W＝900nm，高度H＝600nm，覆盖层厚度 Hc＝162nm，板层Hs＝200nm，加工角度θ＝70°，这个尺寸下有效TOC曲线±1×10-6/K 的带宽是波长从1120nm到1920nm，相同带宽下色散从-204ps/nm/km到118ps/nm/km。如 图3所示，当W增加20nm时，波长1440nm处的有效TOC曲线上移约6.3×10-7/K，色散曲 线几乎不变。如图4所示，当H增加10nm时，波长1440nm处的有效TOC曲线上移约1.5 ×10-7/K，色散曲线上移2.3ps/nm/km。如图5所示，当Hc增加5nm时，波长1440nm处的 有效TOC曲线下移约1.32×10-6/K，色散曲线几乎不变。如图6所示，当Hs增加5nm时， 波长1440nm处的有效TOC曲线上移约1.9×10-7/K，色散曲线几乎不变。
通过调节W、H、Hc、Hs这四个参数，可以调节优化有效TOC和色散曲线。
本发明是混合的铌酸锂光波导结构，对此结构设计的宽带温度不敏感和低色散结果，该 结构能够是制作的光波导结构器件具有宽带温度不敏感特性，可以用于各类集成光子器件， 提高器件的性能。
根据该光波导结构的设计思路，可以利用其它材料得到其它波段的温度不敏感波导结构。
根据有效折射率的改变得到谐振波长随温度偏移量的计算公式
Figure BDA0002285580370000051
根据得到的有效折射率随温度变化结果，利用上面的公式可以得到谐振波长随温度的变 化曲线，由于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。
本发明公开了一种铌酸锂晶圆上集成的光波导结构，包括板状和条状的铌酸锂以及覆盖 层TiO2结构为芯区，芯区下面是SiO2，衬底是铌酸锂或者Si。由于模场覆盖正热光系数铌酸 锂和负热光系数TiO2，可以获得低TOC结果，在尺寸调节的过程中兼顾色散。
该结构可以应用在光波导、光谐振器、马赫曾德尔干涉器(Mach-Zehnderinterferometer MZI)、电光调制器、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。关于 电光调制器的应用，本发明仅给出了光场部分的设计，至于电极部分的设计和工艺可以参照 目前比较成熟的技术。

Claims (9)

1.一种宽带温度不敏感和低色散的铌酸锂光波导结构，包括铌酸锂平板层，所述铌酸锂平板层上面设置有条状铌酸锂层；平板层和条状层铌酸锂上面有TiO2覆盖层；平板层下面是SiO2衬底层；通过调节该光波导结构的条状层的宽度、高度，平板层的厚度以及覆盖层的厚度，可以将有效折射率在1K的改变量控制在比较低的范围。
2.根据权利要求1所述的一种宽带温度不敏感和低色散的铌酸锂光波导结构，其特征在于：在铌酸锂平板层和条状层总厚度一定的情况下，刻蚀加工形成的条状层和平板层厚度分布要保证TOC曲线能够获得宽带温度不敏感结果，并能保证如果制作成腐蚀掉SiO2的悬空结构平板层能够支撑上面结构重量；覆盖层的负热光系数层厚度要保证能够获得宽带温度不敏感的结果。
3.根据权利要求1所述的一种宽带温度不敏感和低色散的铌酸锂光波导结构，其特征在于：所述条状层和板状层的内夹角为钝角或锐角。
4.根据权利要求1所述的一种宽带温度不敏感和低色散的铌酸锂光波导结构，其特征在于：所述覆盖层的TiO2为负热光系数材料或者Polymer或者SrTiO3。
5.根据权利要求1所述的一种宽带温度不敏感和低色散的铌酸锂光波导结构，其特征在于：衬底层的SiO2可以通过氢氟酸腐蚀加工成悬空结构，通过结构尺寸优化依然可以获得宽带温度不敏感和低色散的结果。
6.根据权利要求1所述的一种宽带温度不敏感和低色散的铌酸锂光波导结构，其特征在于：铌酸锂光波导结构是由铌酸锂晶片进行刻蚀沉积加工而成，所以SiO2衬底层下面为Si或者铌酸锂结构，或者其他结构的铌酸锂晶片也可以设计加工成温度不敏感结构。
7.一种采用宽带温度不敏感和低色散的铌酸锂光波导结构调控TOC曲线，其特征在于：包括如下步骤：
第一，预设光波导一组结构尺寸参数计算得出有效TOC曲线；
第二，根据条状结构宽度和高度以及覆盖薄层的厚度三个尺寸改变对有效TOC曲线的影响规律，不断优化曲线直到获得宽带有效TOC达到±1×10-6/K的结果；其中：在调控TOC曲线的同时兼顾色散曲线，保证TOC能够在±1×10-6/K之内的前提下，根据尺寸对色散曲线的影响调控色散曲线，具体内容为：
1)增加条状宽度W，可以增加正热光系数铌酸锂的模场比例，有效TOC曲线上移；
2)增加条状高度H，可以增加正热光系数铌酸锂的模场比例，有效TOC曲线上移；
3)增加覆盖层厚度Hc，可以增加负热光系数TiO2的模场比例，有效TOC曲线下移；
4)增加板状厚度Hs，可以增加正热光系数铌酸锂的模场比例，有效TOC上移。
8.根据权利要求7所述的一种采用宽带温度不敏感和低色散的铌酸锂光波导结构调控TOC曲线，其特征在于：所述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)增加条状宽度W，色散曲线在短波长几乎没变化，在长波长上移；
2)增加条状高度H，色散曲线在多波长几乎没变化，在长波长略微上移；
3)增加覆盖层Hc厚度，色散曲线以1700nm为中心略微旋转，多波长下移；
4)增加板状层Hs厚度，色散曲线几乎没变化。
9.一种宽带温度不敏感和低色散的铌酸锂光波导结构的应用，其特征在于：所述铌酸锂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-Zehnderinterferometer MZI)、光调制器、光滤波器阵列波导光栅(arrayed waveguide gratingAWG)、雷达(Lidar)、光纤陀螺和激光器的光集成器件，在宽波长范围内对温度不敏感，极大提升器件性。关于电光调制器的应用，本发明仅给出了光场部分的设计，至于电极部分的设计和工艺可以参照目前比较成熟的技术。
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