用于色散控制的芯片上集成的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)及色散控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及可用于色散控制的芯片上集成的光波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)及其色散控制方法，它屬于集成光學(xué)和微納米光學(xué)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]波導(dǎo)是指用來(lái)定向引導(dǎo)電磁波的結(jié)構(gòu)，常見(jiàn)的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)有平行雙導(dǎo)線、同軸線、平行平板波導(dǎo)、矩形波導(dǎo)和光纖等，一般的波導(dǎo)芯區(qū)由高折射率材料組成，該波導(dǎo)的包層由低折射率材料或者空氣組成。色散是指當(dāng)一束光脈沖在波導(dǎo)中傳輸時(shí)，不同頻率的光傳播速度不同，導(dǎo)致脈沖展寬的現(xiàn)象。當(dāng)下，集成光學(xué)和微納米光學(xué)領(lǐng)域蓬勃發(fā)展，如何對(duì)可集成的光波導(dǎo)進(jìn)行色散控制，從而實(shí)現(xiàn)色散補(bǔ)償、低色散傳輸、超連續(xù)譜及光頻率梳的產(chǎn)生等應(yīng)用成為一項(xiàng)研究熱門。在可集成的光波導(dǎo)中，通過(guò)設(shè)計(jì)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，選擇合適的材料，可有效地改變波導(dǎo)色散，從而靈活地進(jìn)行色散控制。公開(kāi)號(hào)為US 8483529 B2，其公開(kāi)日為2013年7月9號(hào)的專利文獻(xiàn)中公開(kāi)了一種《Waveguide-based dispers1n device》，設(shè)計(jì)了一種slot型波導(dǎo)與strip型波導(dǎo)耦合的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)引入了一種模式轉(zhuǎn)變機(jī)制[1]，從而能進(jìn)行色散控制。公開(kāi)號(hào)為US 9110219 BI，其公開(kāi)日為2015年8月18號(hào)的專利文獻(xiàn)中公開(kāi)了一種《On-chip two-octave supercontinuum generat1n enabled by advanced chromaticdispers1n tailoring in slotted waveguides》，設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)型的slot型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，這會(huì)使得色散值隨著波長(zhǎng)變化的曲線出現(xiàn)四個(gè)色散零點(diǎn)，類似于馬鞍形[2]，可更加靈活地實(shí)現(xiàn)色散控制。在該類波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，芯區(qū)從上到下以高-低-高的折射率分布方式排列了三層，該波導(dǎo)用于進(jìn)行色散調(diào)控的參數(shù)為三個(gè)材料區(qū)域的高度和波導(dǎo)芯區(qū)的寬度，總共四個(gè)，這樣的三層結(jié)構(gòu)波導(dǎo)加工工藝多，對(duì)于加工條件的要求高，并且該結(jié)構(gòu)要求高折射率材料與低折射率材料的比值高，可適用于該結(jié)構(gòu)的材料少。
[0003][參考文獻(xiàn)]
[0004][I]L.Zhang et al.0pt.Express,vo1.18,p.20529,2010.
[0005][2]L.Zhang et al.0ptics Letters,vo1.38,p.5122,2013.

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]由于先前報(bào)道的用于進(jìn)行色散調(diào)控的波導(dǎo)對(duì)加工條件的要求高，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明提出新的色散控制方法，可減少色散調(diào)控所需的結(jié)構(gòu)參數(shù)，降低對(duì)加工條件的要求，并增大可選材料的范圍。
[0007]為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出的一種用于色散控制的芯片上集成的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，包括位于基底上面的波導(dǎo)芯區(qū)，所述波導(dǎo)芯區(qū)設(shè)有包層;所述波導(dǎo)芯區(qū)由上下兩層不同折射率的材料構(gòu)成;兩層不同折射率材料基本等寬，所述兩層不同折射率的材料的折射率比值15。
[0008]進(jìn)一步講，所述兩層不同折射率的材料從以下的第一組合、第二組合和第三組合的同一種組合中選擇;第一組合是指硫系玻璃組合，包括有低折射率的S基玻璃、高折射率的Se基玻璃和Te基玻璃;所述S基玻璃至少包括Ge2S3、As2S3、GexAsySz和GexPySz,所述Se基玻璃至少包括Ge2Se3、As2Se3、GexAsySez、GexSbySez和GexPySez,所述Te基玻璃至少包括GexSbyTez、GexSeyTez和AsxSeyTez;其中，x，y，z表示不同的摩爾配比，且x+y+z = 100。第二組合至少包括 T12、Hf O2、A1203、Si02、Ga203、Ta2O3、AlN 和 Si3N4;第三組合至少包括 Ge，SiC，Si，A12O3，D i amond,InP,GaAs。
[0009]利用上述芯片上集成的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的色散控制方法是，首先，由預(yù)設(shè)的光波導(dǎo)的一組結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，計(jì)算得到一馬鞍形色散曲線;然后，通過(guò)調(diào)整波導(dǎo)芯區(qū)與基底接觸面的寬度、高折射率材料的高度和低折射率材料的高度中的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)色散控制，具體內(nèi)容如下:
[0010]通過(guò)增大高折射率材料的高度，使得馬鞍形色散曲線向色散值增大的方向移動(dòng)，且左峰的位移量大于右鋒的位移量；
[0011]通過(guò)增大低折射率材料的高度，使得馬鞍形色散曲線向色散值減小的方向移動(dòng)，且左峰的位移量小于右鋒的位移量；
[0012]通過(guò)增大波導(dǎo)芯區(qū)與基底接觸面的寬度，使得馬鞍形色散曲線圍繞該色散曲線凹谷范圍內(nèi)的一點(diǎn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。
[0013]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0014]通過(guò)將之前設(shè)計(jì)的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的芯區(qū)由三層減為兩層，減小了色散調(diào)控所需的結(jié)構(gòu)參數(shù)，降低了對(duì)加工條件的要求。并且適用于該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)芯區(qū)的材料與之前相比更多。
【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1-1是本發(fā)明光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)I橫截面圖示意圖；
[0016]圖1-2是本發(fā)明光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)2橫截面圖示意圖；
[0017]圖1-3是本發(fā)明光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)3橫截面圖示意圖；
[0018]圖1-4是本發(fā)明光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)4橫截面圖示意圖；
[0019]圖2-1是馬鞍形色散曲線隨著高折射率材料的高度變化的位移圖；
[0020]圖2-2是馬鞍形色散曲線隨著低折射率材料的高度變化的位移圖；
[0021]圖2-3是馬鞍形色散曲線隨著波導(dǎo)芯區(qū)與基底接觸面寬度變化的位移圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)描述，所描述的具體實(shí)施例僅對(duì)本發(fā)明進(jìn)行解釋說(shuō)明，并不用以限制本發(fā)明。
[0023]本發(fā)明提出的一種用于色散控制的芯片上集成的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，包括位于基底I上面的波導(dǎo)芯區(qū)，所述波導(dǎo)芯區(qū)設(shè)有包層，所述基底I為可集成的平板，基底和包層的材料可以采用Si02，GaF2, Al2O3等，除此之外，包層還可以為空氣。所述波導(dǎo)芯區(qū)由上下兩層3和2不同折射率的材料構(gòu)成;兩層不同折射率材料基本等寬，所述兩層不同折射率的材料的折射率比值2 1.15。如圖1-1至圖1-4所示，圖中，兩層結(jié)構(gòu)中帶有豎條紋的層次是相對(duì)低折射率的材料，帶有斜條紋的層次是相對(duì)高折射率的材料；圖1-1示出了高折射率材料在下，側(cè)壁角度α略小于90° ;圖1-2示出了高折射率材料在上，側(cè)壁角度略大于90° ;圖1_3示出了高折射率材料在下，其中，基底I為帶有空心結(jié)構(gòu)4的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，側(cè)壁角度α略大于90° ;圖1-4示出了高折射率材料在上，其中，基底I為下部設(shè)有上凹的通槽結(jié)構(gòu)5的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，側(cè)壁角度α略小于90° ο
[0024]所述波導(dǎo)芯區(qū)的側(cè)壁與基底上表面之間的角度不受限制，為了加工方便，該側(cè)壁角度α最好是略小于90°。
[0025]光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中所述兩層不同折射率的材料從以下的第一組合、第二組合和第三組合的同一種組合中選擇。
[0026]第一組合是指硫系玻璃組合，包括有低折射率的S基玻璃、高折射率的Se基玻璃和Te基玻璃;所述S基玻璃至少包括Ge2S3、As2S3、GexAsySz和GexPySz,所述Se基玻璃至少包括Ge2Se3、As2Se3、GexAsySez、GexSbySez 和 GexPySez，所述 Te 基玻璃至少包括 GexSbyTez