CN111948755B - 一种2μm波段的条-槽-条型极大负色散光波导 - Google Patents

一种2μm波段的条-槽-条型极大负色散光波导 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种2μm波段的条‑槽‑条型极大负色散光波，属于光纤通信技术领域。该极大负色散光波导包括：衬底，衬底由二氧化硅组成；在衬底的顶部设置有条‑槽‑条型波导结构；条‑槽‑条型波导结构包括：下条型波导、槽型波导和上条型波导；上条型波导、槽型波导和下条型波导在衬底的顶部垂直方向上自上而下分布；其中，下条型波导由氮化硅组成，槽型波导由硅、二氧化硅构成；上条型波导是由材料硅构成。在本发明中，以衬底为基准，自上而下分别设置有上条型波导、槽型波导、下条型波导，共同组成条‑槽‑条型波导结构，从而使得该波导结构的色散峰值、色散半极大全宽都大于单一条槽波导和单一槽条波导，一定程度上增大了色散峰值和色散半极大全宽。

Description

一种2μm波段的条-槽-条型极大负色散光波导
技术领域
本发明涉及光纤通信技术领域，特别涉及一种2μm波段的条-槽-条型极大负色散光波导。
背景技术
色散累积量的补偿做为通信网络系统中亟待解决的问题而受到越来越多的关注，色散会导致通信光信号脉冲展宽，产生时延差，最终在接收端引起误码率增大，极大程度上限制了当前光纤通信系统的传输容量以及传输速率。对于色散的补偿，目前存在较多的方案是：(1)色散补偿光纤(Dispersion Compensation Fiber，DCF)是应用较为成熟的色散补偿方案，但对于DCF而言，其具有较大的弯曲半径，通常需要占据很大的物理空间，从这一点上来讲，不适合未来器件小型化片上集成的发展趋势；(2)基于周期光栅的波导，虽在结构尺寸上相对较小，但是未能兼顾大的色散补偿范围，使得补偿波段受限；(3)单芯和双芯环形结构波导，该结构不能对密集波分复用系统的每路光信号进行精确的色散补偿等。
从目前的多数色散补偿方案来看，传统的色散补偿技术都不能兼顾大色散极值和宽工作波段之间的平衡，并且存在补偿器件物理尺寸过长，色散数值抖动较大等不足，不适用于未来光器件的集成化、微型化趋势。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种2μm波段的条-槽-条型极大负色散光波导。所述极大负色散光波导包括：衬底，所述衬底由二氧化硅组成；在所述衬底的顶部上设置有条-槽-条型波导结构；所述条-槽-条型波导结构包括：下条型波导、槽型波导和上条型波导；所述上条型波导、所述槽型波导和所述下条型波导在所述衬底的顶部垂直方向上自上而下分布；其中，所述下条型波导由氮化硅组成，所述槽型波导由硅、二氧化硅构成；所述上条型波导是由材料硅构成。
进一步地，所述条-槽-条型波导结构还包括：二氧化硅媒介；在所述下条型波导、所述槽型波导和所述上条型波导两两之间通过二氧化硅媒介隔开。
进一步地，所述下条型波导由氮化硅组成，其在λ＝2μm处折射率n＝1.983。
进一步地，所述槽型波导的夹板层由硅制成，其在λ＝2μm处折射率n＝3.48；所述槽型波导的槽芯由二氧化硅制成，其在λ＝2μm处折射率n＝1.44；所述槽芯处于两个所述夹板层之间。
进一步地，所述上条型波导由材料硅制成，其在λ＝2μm处折射率n＝3.45。
进一步地，所述条-槽-条型波导结构在水平方向上的宽度为500nm，在垂直方向上的高度为4415nm。
进一步地，所述下条型波导在垂直方向上的高度为1050nm；所述上条型波导在垂直方向上的高度为305nm；所述槽型波导在垂直方向上的高度为380nm。
进一步地，所述上条型波导与所述槽型波导之间的所述二氧化硅媒介在垂直方向上的高度为1400nm；所述下条型波导与所述槽型波导之间的所述二氧化硅媒介在垂直方向上的高度为1280nm。
进一步地，所述夹板层在垂直方向上的高度为160nm，所述槽芯在垂直方向上的高度为60nm。
进一步地，所述衬底在水平方向上的宽度为2000nm，在垂直方向上的高度为4180nm。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：在本发明中，以衬底为基准，自上而下分别设置有上条型波导、槽型波导、下条型波导，共同组成条-槽-条型波导结构，从而使得该波导结构的色散峰值、色散半极大全宽都大于单一条槽波导和单一槽条波导，一定程度上增大了色散峰值和色散半极大全宽；并且将条-条型波导与条-槽-条型波导两种结构的色散特性进行比较，结果表明两种波导结构的峰值越小，其对应的带宽差越大，且条-槽-条型波导结构的色散曲线底部较为平坦。
再者，将上条型波导、槽型波导、下条型波导两两之间以二氧化硅为媒介相隔开，亦可将其视为传统条槽波导与槽条波导的结合。这样由于组成各个波导结构材料的折射率的不同，将会导致不同模式的有效折射率曲线随波长的变化速率不同，从而导致在不同波长处的模式耦合。又因为其波导结构构成的特殊性，导致了波导模式的有效折射率曲线交点(模式耦合点)出现不止一个的情况。另外，该条-槽-条型波导结构可实现的最大色散数值在2005nm处可以得到-1.9412×105ps/km-nm的超高色散值，色散半极大全宽值为33.6nm，这对于实现2μm光纤通信系统的色散补偿具有明显效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的一种2μm波段的条-槽-条型极大负色散光波导的结构示意图；
图2是本发明提供的一种条-槽-条型波导结构特定几何参数下波长分别为(a)1.930μm；(b)2.013μm；(c)2.07μm处的模场分布图；
图3所示为单一上条型波导、单一槽型波导、单一下条型波导及对称模和反对称模在TM基模条件下，有效折射率系数随波长的变化关系；
图4是本发明提供的一种2μm波长范围的对称模和反对称模的色散变化曲线；
图5(a)是本发明提供的一种条-槽-条型波导、上条槽型波导、下槽条型波导以及上条槽型波导和下槽条型波导线性叠加的色散分布图；
图5(b)是本发明提供的一种上条槽型波导与下槽条型波导的中心波长相距较远时对应的色散分布图；
图6是本发明提供的一种通过对条-槽-条型波导、上条槽型波导、下槽条型波导调参，得到峰值色散在-1.9412×105ps/km-nm附近的色散变化曲线。
图7(a)是本发明提供的一种条-条型波导的端面示意图；
图7(b)是本发明提供的一种条-条型波导结构在特定几何参数下在2.005μm处的模场分布图；
图8是本发明提供的一种在2μm附近处不同峰值色散下，条-槽-条型波导与条-条型波导的色散变化(极大色散值、色散半极大全宽值)特性曲线。
附图标记：1-衬底；2-下条型波导；3-槽型波导；4-上条型波导；5-二氧化硅媒介；6-夹板层；7-槽芯；8-上条槽型波导；9-下槽条型波导。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
需要说明的是，当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。本发明所使用的的术语“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明目的。
除非另有定义，本发明所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体地实施例目的，不是旨在于限定本发明。
图1是本发明提供的一种2μm波段的条-槽-条型极大负色散光波导的结构示意图。参见图1，该极大负色散光波导包括：衬底1，衬底1由二氧化硅组成；在衬底1的顶部设置有条-槽-条型波导结构；条-槽-条型波导结构包括：下条型波导2、槽型波导3和上条型波导4；上条型波导4、槽型波导3和下条型波导2在衬底1的顶部垂直方向上自上而下分布；其中，下条型波导2由氮化硅组成，槽型波导3由硅、二氧化硅构成；上条型波导4是由材料硅构成。
需要说明的是，随着信息社会的高速发展，现有光通信系统中的单光纤容量已经逐渐逼近其物理上限，进一步拓展现有波分复用系统的可用波段是增大当前光通信系统容量的一种有效方案。2μm波段的光通信系统已成为了下一代光通信系统的发展方向之一。2μm的激光器、高速光电探测器已被成功实现，2μm的通信近年来成为了热点，但是针对2μm光通信的色散补偿器件还比较欠缺。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工作波长范围较宽的光学器件。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于槽芯。在现有技术中，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。与以往的设计不同的是，本发明提出了新型的条-槽-条型波导结构，利用条-槽-条型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。相较于条-条、条槽混合型大负色散波导，条-槽-条型波导不仅可以有效地避免模场的发散，实现模场在条-槽-条型波导的有效转移进而形成极值色散特性。即有效增大色散极值与色散半极大全宽，使得色散极值在较宽的波长范围内保持平坦。
本发明中，基于2μm波段提出了一种新型条-槽-条型混合波导结构，避免了采用单一条形波导存在的模场发散问题，利用沟槽波导的多几何参数特性，使得色散特性具有灵活可调的优点，一定程度上也避免了传统色散补偿光纤存在需要较长光纤问题，解决了多数色散补偿方案在补偿方面不能兼顾色散极值和工作波长范围之间的平衡的问题。
进一步地，条-槽-条型波导结构还包括：二氧化硅媒介5；在下条型波导2、槽型波导3和上条型波导4两两之间通过二氧化硅媒介5隔开。
进一步地，下条型波导2由氮化硅组成，其在λ＝2μm处折射率n＝1.983。
进一步地，槽型波导3的夹板层6由硅制成，其在λ＝2μm处折射率n＝3.48；槽型波导3的槽芯7由二氧化硅制成，其在λ＝2μm处折射率n＝1.44；槽芯7处于两个夹板层6之间。
进一步地，上条型波导4由材料硅制成，其在λ＝2μm处折射率n＝3.45。
进一步地，条-槽-条型波导结构在水平方向上的宽度为500nm，在垂直方向上的高度为4415nm。
进一步地，下条型波导2在垂直方向上的高度为1050nm；上条型波导4在垂直方向上的高度为305nm；槽型波导3在垂直方向上的高度为380nm。
进一步地，上条型波导4与槽型波导3之间的二氧化硅媒介5在垂直方向上的高度为1400nm；下条型波导2与槽型波导3之间的二氧化硅媒介5在垂直方向上的高度为1280nm。
进一步地，夹板层6在垂直方向上的高度为160nm，槽芯7在垂直方向上的高度为60nm。
进一步地，衬底1在水平方向上的宽度为2000nm，在垂直方向上的高度为4180nm。
需要说明的是，参见图1，在本发明中，将该波导的参数分别设置为S1＝1400nm、S2＝1280nm、d1＝305nm、d2＝1050nm、t＝160nm、w＝60nm、p＝500nm、h＝4180nm。根据以上参数设置，该大负色散波导在几何参数改变的情况下，可实现在2005nm处-1.9412×105ps/km-nm的极大负色散值，最大色散半极大全宽为33.6nm，且其色散极值能够在较宽的波段范围内保持平坦。这对于实现光纤通信系统的宽带色散补偿具有很大意义。
通过在衬底1上制作条-槽-条型波导，利用波导结构的材料折射率差异造成了对模场的有效束缚，使得模场能分别稳定存在于条、槽、条区域。采用时域有限差分法求解波导中的场麦克斯韦方程组，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。
参见图2，图2是针对条-槽-条型波导结构在特定几何参数下基于TM模中对称模的模场分析：(a)为光场由上条型波导向槽型波导转变前光场主要分布在上条槽型波导时(1.93μm波长时)的光场分布；(b)为光场由上条型波导向槽型波导转变时光场集中分布在槽型波导槽芯时(2.013μm波长时)的光场分布；(c)为光场由槽型波导槽芯向下条型波导转换后光场集中分布在下条型波导时(2.07μm波长时)的光场分布。
参见图3，图3中A线表示对称模的有效折射率系数随波长的变化关系，B线表示反对称模的有效折射率系数随波长的变化关系，C线表示单一上条型波导的有效折射率系数随波长的变化关系，D线表示单一槽型波导的有效折射率系数随波长的变化关系，E线表示单一下条型的有效折射率系数随波长的变化关系。从图中可以得到，单一上条型波导基模的有效折射率随波长的的增大而减小的速率较快，单一槽型波导基模随波长的增加而减小的速率较慢，单一下条型波导模式随波长增大而减小的速率最慢。导致单一上条型波导模式和单一槽型波导模式的有效折射率曲线在2003.2nm附近有一个交点，而单一槽型波导模式和单一下条型波导模式的有效折射率曲线在2007.5nm附近有一个交点。在2003.2nm谐振波长处，单一上条型波导的基模与单一槽型波导的基模发生了模式共振，在2007.5nm谐振波长处，单一槽型波导的基模与单一下条型波导的基模发生了模式共振，因此，这种结构的对称模曲线对应两种共振模式，从而形成色散极值较大，半极大全宽较宽的色散变化曲线，且对应峰值色散在较宽范围较平坦。另一方面，在2004.8nm处，单一上条型波导模式的有效折射率曲线与单一下条型波导模式的有效折射率曲线相交，决定了反对称模的变化，从而得到一个色散值较大的值。
参见图4，图中F线表示上述所提到的反对称模的色散变化曲线，G线表示上述所提到的对称模的色散变化曲线。条-槽-条型波导整个结构的色散可以看作是上条槽型波导和下槽条型波导的融合。因此，图5(a)也中给出了上条槽型波导模式和下槽条型波导模式单独作用时的色散曲线。
参见图5(a)，图中K线为上条槽型波导模式和下槽条型波导模式线性叠加的色散变化曲线，J线是条-槽-条型波导的色散变化曲线，C实线、D实线分别表示上条槽型波导、下槽条型波导的色散变化曲线。得出结论：整个结构的色散曲线不是上条槽型波导模式和下槽条型波导模式色散的线性叠加。
参见图5(b)，图中P线表示上条槽型波导模式和下槽条型波导模式线性叠加的色散分布图，图中O线表示下槽条型波导模式的色散分布图，图中N线表示条-槽-条型波导的色散变化曲线，图中M线表示下槽条型波导模式的色散分布图，图5(b)为调整波导参数使上条槽型波导模式和下槽条型波导模式的中心波长彼此远离时，得到条-槽-条型波导的色散曲线几乎是上条槽型波导模式和下条槽波导模式的等效波长的线性叠加。
参见图6，图6为了比较单一上条槽型波导和单一下槽条型波导性能如何，采用控制变量法控制峰值色散在-1.9412×105ps/km-nm附近时，得到条-槽-条型波导与单一上条槽型波导和单一下槽条型波导的色散特性。图中R线对应于单一上条槽型波导模式，Q线对应于单一下槽条型波导模式，S线对应于条-槽-条型波导模式。对于下槽条型波导，其峰值色散为-1.8516×105ps/km-nm，色散半极大全宽为9.9nm。而上条槽型波导得到峰值色散为-1.8621×105ps/km-nm，对应的色散半极大全宽为22.3nm。分析得到，条-槽-条型波导结构的色散半极大全宽值大于上条槽型波导和下槽条型波导的色散半极大全宽之和。条-槽-条型波导结构此时对应的峰值色散大于单一上条槽型波导或单一下槽条型波导的峰值色散。
另一方面，我们可以通过上条型波导和下条型波导直接形成波导。参见图7(a)、7(b)以及图8，图8中V线表示条-槽-条型波导的色散变化(极大色散值、色散半极大全宽值)特性曲线，X表示条-条型波导的色散变化(极大色散值、色散半极大全宽值)特性曲线。调整两种结构的参数使两者的峰值几乎相同，比较两种结构的性能。当条-条型波导峰值为-1.94014×105ps/km-nm时，FWHM的带宽为30.79nm。条-槽-条型波导的峰值色散为-1.9412×105ps/km-nm，FWHM带宽为33.6nm。接着，调整条槽-条型波导的峰值色散为-1.13735×105ps/km-nm，带宽为FWHM 64.25nm；调整条-条型波导的峰值色散为-1.13715×105ps/km-nm，带宽为FWHM 59.5nm。得出同一峰值色散条件下，条-槽-条型波导的色散半极大全宽比条-条型波导的宽。结果证明，峰值色散越小，带宽差越大，条-槽-条型波导的色散曲线底部是平坦的，该波导结构的色散特性越好。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种2μm波段的条-槽-条型极大负色散光波导，其特征在于，所述极大负色散光波导包括：衬底(1)，所述衬底(1)由二氧化硅组成；在所述衬底(1)的顶部设置有条-槽-条型波导结构；
所述条-槽-条型波导结构包括：下条型波导(2)、槽型波导(3)和上条型波导(4)；所述上条型波导(4)、所述槽型波导(3)和所述下条型波导(2)在所述衬底(1)的顶部垂直方向上自上而下分布；其中，所述下条型波导(2)由氮化硅组成，所述槽型波导(3)由硅、二氧化硅构成；所述上条型波导(4)是由材料硅构成。
2.如权利要求1所述的一种2μm波段的条-槽-条型极大负色散光波导，其特征在于，所述条-槽-条型波导结构还包括：二氧化硅媒介(5)；在所述下条型波导(2)、所述槽型波导(3)和所述上条型波导(4)两两之间通过所述二氧化硅媒介(5)隔开。
3.如权利要求1所述的一种2μm波段的条-槽-条型极大负色散光波导，其特征在于，所述下条型波导(2)由氮化硅组成，其在λ＝2μm处折射率n＝1.983。
4.如权利要求2所述的一种2μm波段的条-槽-条型极大负色散光波导，其特征在于，所述槽型波导(3)由两个夹板层(6)和槽芯(7)组成，所述槽芯(7)处于两个所述夹板层(6)之间；
所述槽型波导(3)的夹板层(6)由硅制成，其在λ＝2μm处折射率n＝3.48；所述槽型波导(3)的槽芯(7)由二氧化硅制成，其在λ＝2μm处折射率n＝1.44。
5.如权利要求1所述的一种2μm波段的条-槽-条型极大负色散光波导，其特征在于，所述上条型波导(4)由材料硅制成，其在λ＝2μm处折射率n＝3.45。
6.如权利要求4所述的一种2μm波段的条-槽-条型极大负色散光波导，其特征在于，所述条-槽-条型波导结构在水平方向上的宽度为500nm，在垂直方向上的高度为4415nm。
7.如权利要求6所述的一种2μm波段的条-槽-条型极大负色散光波导，其特征在于，所述下条型波导(2)在垂直方向上的高度为1050nm；所述上条型波导(4)在垂直方向上的高度为305nm；所述槽型波导(3)在垂直方向上的高度为380nm。
8.如权利要求7所述的一种2μm波段的条-槽-条型极大负色散光波导，其特征在于，所述上条型波导(4)与所述槽型波导(3)之间的所述二氧化硅媒介(5)在垂直方向上的高度为1400nm；所述下条型波导(2)与所述槽型波导(3)之间的所述二氧化硅媒介(5)在垂直方向上的高度为1280nm。
9.如权利要求8所述的一种2μm波段的条-槽-条型极大负色散光波导，其特征在于，所述夹板层(6)在垂直方向上的高度为160nm，所述槽芯(7)在垂直方向上的高度为60nm。
10.如权利要求9所述的一种2μm波段的条-槽-条型极大负色散光波导，其特征在于，所述衬底(1)在水平方向上的宽度为2000nm，在垂直方向上的高度为4180nm。
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