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

本发明专利技术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。本发明专利技术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

Broadband temperature insensitive and low dispersion optical waveguide structure and its design method

【技术实现步骤摘要】
宽带温度不敏感及低色散的光波导结构及其设计方法
本专利技术属于集成光学
，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。
技术介绍
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-ZehnderinterferometerMZI)、光调制器、光滤波器阵列波导光栅(arrayedwaveguidegratingAWG)、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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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(arrayedwaveguidegratingAWG)、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，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。本专利技术的优点和有益效果为：1、本专利技术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、本专利技术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、本专利技术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是本专利技术光波导结构的结构横截面示意图；图2是本专利技术光波导结构的另一种横截面示意图；图3是本专利技术光波导结构的另一种结构横截面示意图；图4是本专利技术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专利技术作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本专利技术的保护范围。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Polym本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。/n

【技术特征摘要】
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-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。


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...

【专利技术属性】
技术研发人员：张林，徐丽娟，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12