一種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于導(dǎo)波光學(xué)和集成光學(xué)領(lǐng)域，尤其涉及應(yīng)用于硅基波導(dǎo)微腔超寬帶光頻 梳的一種同時(shí)實(shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ)償和低平坦色散的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002] 在片上光互連中使用波分復(fù)用技術(shù)是光互連在能耗和傳輸容量方面真正能超越 電互連的關(guān)鍵所在。光源器件是實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用片上互連亟待解決的核心瓶頸問題，可以采 用硅基微腔光頻梳作為光源，產(chǎn)生多個(gè)間距固定、波長(zhǎng)穩(wěn)定的輸出。微腔光頻梳的產(chǎn)生需要 低反常色散、色散平坦的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，而且熱光效應(yīng)引起的折射率的改變，會(huì)使腔諧振頻率產(chǎn) 生漂移，影響光頻梳的產(chǎn)生。傳統(tǒng)的波導(dǎo)難以兼顧低色散與色散平坦的特點(diǎn)，特別是不能在 保證色散特性的前提下實(shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ)償，因此，需要一種同時(shí)實(shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ)償和低平坦色 散的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] (一）要解決的技術(shù)問題
[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)折射率溫度漂移自補(bǔ)償和 低平坦色散。
[0005] (二）技術(shù)方案
[0006] 本發(fā)明提供一種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其至下而上依次疊置有襯底層、下條形層、狹縫層以及 上條形層，其中，該下條形層、該狹縫層以及該上條形層的寬度相等，該下條形層及該上條 形層采用正熱光系數(shù)材料，該狹縫層采用負(fù)熱光系數(shù)材料。
[0007] (三）有益效果
[0008] 1、本發(fā)明提供的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)通過設(shè)定各層的尺寸，從而調(diào)控光場(chǎng)限制因子，使波導(dǎo) 的有效折射率對(duì)溫度的一階導(dǎo)數(shù)接近零，從而實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)折射率溫度漂移自補(bǔ)償。
[0009] 2、本發(fā)明提供的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)采用的是條形/狹縫混合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，由于條形波導(dǎo)模式 和狹縫波導(dǎo)模式的有效折射率隨波長(zhǎng)變化曲線的斜率不同，當(dāng)在某一波長(zhǎng)，這兩種波導(dǎo)模 式的有效折射率相互接近時(shí)，產(chǎn)生模式耦合，但是這兩條折射率曲線并不交叉，而是相互排 斥并交換各自的折射率-波長(zhǎng)變化斜率，同時(shí)由于條形波導(dǎo)和狹縫波導(dǎo)的耦合作用，各自 的模式并不能單獨(dú)存在，而是形成了對(duì)稱模和反對(duì)稱模。反對(duì)稱模的色散是反常色散，對(duì)稱 模的色散是正常色散。在短波長(zhǎng)，光場(chǎng)主要分布在條形波導(dǎo)區(qū)，形成條形波導(dǎo)模式，隨著波 長(zhǎng)的增加，狹縫區(qū)所占光場(chǎng)比例逐漸增大，光場(chǎng)模式是狹縫波導(dǎo)模式。這種模式轉(zhuǎn)換，會(huì)產(chǎn) 生一個(gè)額外的凹狀色散，補(bǔ)償已經(jīng)存在凸?fàn)钌?，使色散變平坦，同時(shí)，通過優(yōu)化波導(dǎo)結(jié)構(gòu)， 實(shí)現(xiàn)低色散的特點(diǎn)。
【附圖說明】
[0010] 圖1為現(xiàn)有技術(shù)中的條形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0011] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有技術(shù)中條形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的有效折射率 隨溫度的變化曲線。
[0013] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有技術(shù)中條形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的色散曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0014] 本發(fā)明提供一種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其至下而上依次疊置有襯底層、下條形層、狹縫層以及 上條形層，其中，下條形層、該狹縫層以及該上條形層的寬度相等，該下條形層及該上條形 層采用正熱光系數(shù)材料，該狹縫層采用負(fù)熱光系數(shù)材料。通過設(shè)定各層的材料及尺寸，達(dá)到 同時(shí)實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)折射率溫度漂移自補(bǔ)償和低平坦色散的目的。
[0015] 在一種實(shí)施方式中，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)還包括一個(gè)外包層，其包裹在襯底層、下條形層、狹 縫層以及上條形層的四周，其中，外包層可以是空氣或二氧化硅（Si0 2)。
[0016] 在一種實(shí)施方式中，下條形層、狹縫層以及所述上條形層的寬度均為1194nm~ 1236nm，在具體的實(shí)施例中，可取1200nm。
[0017] 在一種實(shí)施方式中，襯底層的材料為二氧化硅（Si02)，且襯底層的厚度為 2000nm~4000nm，在具體的實(shí)施例中，可取2000nm。
[0018] 在一種實(shí)施方式中，正熱光系數(shù)材料為氮化硅（Si3N4)。
[0019] 在一種實(shí)施方式中，下條形層的厚度為lOOOnm~1058nm，在具體的實(shí)施例中，可 取 1030nm。
[0020] 在一種實(shí)施方式中，上條形層的厚度為564nm~654nm，在具體的實(shí)施例中，可取 590nm〇
[0021] 在一種實(shí)施方式中，負(fù)熱光系數(shù)材料為聚氨酯丙烯酸酯（PUA)。
[0022] 在一種實(shí)施方式中，狹縫層的厚度為129nm~138nm，在具體的實(shí)施例中，可取 138nm〇
[0023] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照 附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0024] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所述，該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)從下而上依 次包括：二氧化硅襯底層、氮化硅下條形層、聚氨酯丙烯酸酯狹縫層、氮化硅上條形層。該 波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方法為：在2000nm厚的二氧化硅襯底上依次生長(zhǎng)厚度1030nm的氮化硅、 厚度138nm的聚氨酯丙烯酸酯（PUA)、厚度590nm的氮化硅，然后用干法刻蝕工藝刻制出寬 1200nm的波導(dǎo)圖形。該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)還具有一個(gè)外包層，其包裹在襯底層、下條形層、狹縫層以 及上條形層的四周該，本實(shí)施例中，外包層是空氣。波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的有效折射率會(huì)隨溫度變化， 若忽略各層光場(chǎng)限制因子隨溫度的變化，則有效折射率對(duì)溫度的一階導(dǎo)數(shù)為各層光場(chǎng)限制 因子乘以該層折射率對(duì)溫度的一階導(dǎo)數(shù)之和，即：
[0025]
3/7
[0026] ^為波導(dǎo)有效折射率對(duì)溫度的一階導(dǎo)數(shù)； 〇/
[0027] r lOTeMlad為下條形層的光場(chǎng)限制因子，nlMreMlad為下條形層的折射率；
[0028] r sl()t為狹縫層的光場(chǎng)限制因子，n sl()t為狹縫層的折射率；
[0029] r __13(1為上條形層的光場(chǎng)限制因子，nuppeMlad為上條形層的折射率。
[0030] T為溫度。
[0031] 其中，各層波導(dǎo)的尺寸決定了各層光場(chǎng)限制因子，具體的，在計(jì)算光場(chǎng)限制因子 時(shí)，用comsol軟件計(jì)算不同尺寸波導(dǎo)的光場(chǎng)分布，導(dǎo)出該光場(chǎng)中各坐標(biāo)點(diǎn)的電場(chǎng)值，然后 用matlab對(duì)不同區(qū)域的電場(chǎng)值求平方和求該區(qū)域的光場(chǎng)能量，再除以全區(qū)域的光場(chǎng)能量， 從而計(jì)算該波導(dǎo)不同區(qū)域的限制因子。
[0032] 熱光系數(shù)（T0C)定義為折射率對(duì)溫度的一階導(dǎo)數(shù)。因此，有效折射率對(duì)溫度的一 階導(dǎo)數(shù)為各層光場(chǎng)限制因子乘以該層材料的熱光系數(shù)之和。 3/7.
[0033] 由上式可知，通過改變各層材料的尺寸，調(diào)控光場(chǎng)限制因子，使接近零，從而 〇/ 實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)折射率溫度漂移自補(bǔ)償。
[0034] 本實(shí)施例中，襯底層的厚度H取2000nm，下條形層、狹縫層以及上條形層的寬 度W取1200nm，下條形層的厚度H1取1030nm，狹縫層的厚度Hs取138nm，上條形層的厚 度Hu取590nm，氮化硅在波長(zhǎng)1550nm時(shí)，折射率為1. 98,熱光系數(shù)為4X 10_5/K，光場(chǎng)限制 因子為r lOTeTClad= 83. 85 %，聚氨酯丙烯酸酯在波長(zhǎng)1550nm時(shí)，折射率為1. 55,熱光系數(shù) 為-4. 5X1(T4/K，光場(chǎng)限制因子為rsl()t= 7. 78%，上條形層在波長(zhǎng)1550nm時(shí)，折射率為 1. 98,熱光系數(shù)為4 X 1(T5/K，光場(chǎng)限制因子為r uppeTClad= 3. 69 %，將本實(shí)施例的參數(shù)代入上 式公式：
[0035]
近似等 于0〇
[0036] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有技術(shù)中條形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的有效折射率 隨溫度的變化曲線，如圖3所示，本實(shí)施例中的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，通過設(shè)定各層材料的尺寸，從而 3/7 調(diào)控光場(chǎng)限制因子，使接近零，從而實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)折射率溫度漂移自補(bǔ)償。 dl
[0037]圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有技術(shù)中條形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的色散曲線，本 實(shí)施例采用的是條形/狹縫混合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，由于條形波導(dǎo)模式和狹縫波導(dǎo)模式的有效折射 率隨波長(zhǎng)變化曲線的斜率不同，當(dāng)在某一波長(zhǎng)，這兩種波導(dǎo)模式的有效折射率相互接近時(shí)， 產(chǎn)生模式耦合，但是這兩條折射率曲線并不交叉，而是相互排斥并交換各自的折射率-波 長(zhǎng)變化斜率，同時(shí)由于條形波導(dǎo)和狹縫波導(dǎo)的耦合作用，各自的模式并不能單獨(dú)存在，而是 形成了對(duì)稱模和反對(duì)稱模。反對(duì)稱模的色散是反常色散，對(duì)稱模的色散是正常色散。在短 波長(zhǎng)，光場(chǎng)主要分布在條形波導(dǎo)區(qū)，形成條形波導(dǎo)模式，隨著波長(zhǎng)的增加，狹縫區(qū)所占光場(chǎng) 比例逐漸增大，光場(chǎng)模式是狹縫波導(dǎo)模式。這種模式轉(zhuǎn)換，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)額外的凹狀色散，補(bǔ) 償已經(jīng)存在凸?fàn)钌?，使色散變平坦，同時(shí)，通過優(yōu)化波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)低色散的特點(diǎn)。如圖4 所示
I寸，在波長(zhǎng)1100至2000nm的范圍上呈現(xiàn)低且平坦的反常色散。 同尺寸的條形波導(dǎo)，波導(dǎo)厚H = 1030nm，寬W = 1200nm，在波長(zhǎng)1100至2000nm的范圍上色 散曲線不平坦。
[0038] 以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳 細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡 在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保 護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其特征在于，其至下而上依次疊置有襯底層、下條形層、狹縫層以及 上條形層，其中，該下條形層、該狹縫層以及該上條形層的寬度相等，該下條形層及該上條 形層采用正熱光系數(shù)材料，該狹縫層采用負(fù)熱光系數(shù)材料。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其特征在于，還包括一個(gè)外包層，其包裹在所述襯 底層、下條形層、狹縫層以及上條形層的四周。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述下條形層、所述狹縫層以及所述 上條形層的寬度均為1194nm~1236nm。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述襯底層的材料為二氧化硅。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述襯底層的厚度為2000nm~ 4000nm〇6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述正熱光系數(shù)材料為氮化硅。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述下條形層的厚度為1000 nm~ 1058nm〇8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述上條形層的厚度為564nm~ 654nm〇9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述負(fù)熱光系數(shù)材料為聚氨酯丙烯 酸酯。10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述狹縫層的厚度為129nm~ 138nm〇
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其至下而上依次疊置有二氧化硅襯底層、氮化硅下條形層、聚氨酯丙烯酸酯狹縫層、氮化硅上條形層，其中，下條形層、該狹縫層以及該上條形層的寬度相等，該下條形層及該上條形層采用正熱光系數(shù)材料，該狹縫層采用負(fù)熱光系數(shù)材料。通過設(shè)定各層的材料及尺寸，達(dá)到同時(shí)實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)折射率溫度漂移自補(bǔ)償和低平坦色散的目的。
【IPC分類】G02B6/12
【公開號(hào)】CN104991308
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510446433
【發(fā)明人】邊丹丹, 陳少武
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所
【公開日】2015年10月21日
【申請(qǐng)日】2015年7月27日