對(duì)溫度不敏感的陣列波導(dǎo)光柵的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及集成光電子器件領(lǐng)域,尤其涉及一種對(duì)溫度不敏感的陣列波導(dǎo)光 柵。
【背景技術(shù)】
[0002] 陣列波導(dǎo)光柵(Arrayed Waveguide Grating, AWG)是集成光電子系統(tǒng)中的重要功 能器件,可用于構(gòu)建波分復(fù)用光通信系統(tǒng)中的波分復(fù)用器/解復(fù)用器、波長(zhǎng)路由器。
[0003]目前,大多數(shù)用于構(gòu)建陣列波導(dǎo)光柵的光電子材料(如硅、二氧化硅、磷化銦)都 具有一定的熱光效應(yīng),即該些光電子材料的折射率會(huì)隨著溫度的變化而變化。這種熱光效 應(yīng)將導(dǎo)致陣列波導(dǎo)光柵的工作波長(zhǎng)會(huì)隨著溫度的變化而發(fā)生漂移。
[0004] 為此,業(yè)內(nèi)人士提出制備對(duì)溫度不敏感的陣列波導(dǎo)光柵,例如,第一種方案是采用 負(fù)熱光系數(shù)材料作為波導(dǎo)的上包層;第二方案是采用寬窄條形波導(dǎo)組合的方式構(gòu)建陣列波 導(dǎo);第三方案是采用條形波導(dǎo)與溝道波導(dǎo)組合的方式構(gòu)建陣列波導(dǎo)。
[0005] 然而,上述幾種方案雖然能實(shí)現(xiàn)溫度不敏感特性,但都無(wú)法在實(shí)際應(yīng)用中生產(chǎn)。第 一方案中:負(fù)熱光系數(shù)材料涂覆方案中常用的負(fù)熱光系數(shù)材料與現(xiàn)有的微納工藝不兼容; 第二方案中:寬窄條形波導(dǎo)組合的方式其中現(xiàn)有工藝加工的窄波導(dǎo)損耗太大;第三方案 中:條形波導(dǎo)與溝道波導(dǎo)組合的方案中最小線(xiàn)寬為幾十rim因而難以加工。
[0006] 為此,如何提供一種對(duì)現(xiàn)有工藝兼容,且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)溫度不敏感的陣列光柵波導(dǎo) 成為當(dāng)前需要解決的技術(shù)問(wèn)題。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0007] 本實(shí)用新型提供一種對(duì)溫度不敏感的陣列波導(dǎo)光柵,能夠較好的兼容現(xiàn)有的制備 工藝。
[0008] 為實(shí)現(xiàn)上述目的,本實(shí)用新型提供一種對(duì)溫度不敏感的陣列波導(dǎo)光柵,包括:輸入 星形耦合器、陣列波導(dǎo)、輸出星形耦合器,其中,陣列波導(dǎo)由若干條光程長(zhǎng)呈等差數(shù)列的波 導(dǎo)構(gòu)成,其特征在于:陣列波導(dǎo)中所有波導(dǎo)或部分波導(dǎo)由條形波導(dǎo)與條形-溝道混合型波 導(dǎo)組合而成。
[0009] 可選地,在所述陣列波導(dǎo)中每一波導(dǎo)包括:兩段條形波導(dǎo)及一段條形-溝道混合 型波導(dǎo),且采用第一段條形波導(dǎo)、條形-溝道混合型波導(dǎo)、第二段條形波導(dǎo)依次級(jí)聯(lián)的方式 組合。
[0010] 可選地,所述條形波導(dǎo)與條形-溝道混合型波導(dǎo)采用波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器連接。
[0011] 可選地,所述波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器為多模干涉型波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器;
[0012] 該多模干涉型波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器包括:多模波導(dǎo)區(qū)域、寬度漸變的條形-溝道混合 型波導(dǎo)區(qū)域;
[0013] 其中,所述多模波導(dǎo)區(qū)域的一端用于連接條形波導(dǎo),另一端連接所述寬度漸變的 溝道波導(dǎo)區(qū)域的一個(gè)波導(dǎo)端面,所述寬度漸變的條形-溝道混合型波導(dǎo)區(qū)域的另一波導(dǎo)端 面用于連接條形-溝道混合型波導(dǎo),所述寬度漸變的條形-溝道混合型波導(dǎo)區(qū)域中的溝道 與所述條形-溝道混合型波導(dǎo)的溝道一一對(duì)應(yīng)。
[0014] 可選地,所述陣列波導(dǎo)光柵為非良導(dǎo)體材料的波導(dǎo);
[0015] 或者,所述陣列波導(dǎo)光柵為非良導(dǎo)體材料與金屬結(jié)合的表面等離子體材料的波 導(dǎo)。
[0016] 可選地,所述表面等離子體材料的波導(dǎo)為:所述非良材料表面覆蓋一層金屬。
[0017] 可選地,所述非良導(dǎo)體材料為電介質(zhì)、半導(dǎo)體或有機(jī)物。
[0018] 可選地,所述電介質(zhì)為二氧化硅、二氧化鈦或氧化鎵;
[0019] 和/或,所述半導(dǎo)體為硅、鍺、氮化硅或三五族光電子化合物。
[0020] 可選地,所述三五族光電子化合物為磷化銦或氮化鎵。
[0021] 可選地,所述表面等離子體材料的波導(dǎo)為下述的一種:
[0022] 娃的表面覆蓋一層銀;
[0023] 娃的表面覆蓋一層金;
[0024] 二氧化娃的表面覆蓋一層銀;
[0025] 二氧化娃的表面覆蓋一層金。
[0026] 可選地,所述陣列波導(dǎo)中任意相鄰波導(dǎo)中所包含的兩種類(lèi)型波導(dǎo)的長(zhǎng)度差為: AL1、AL 11;
[0027] 若用//,/,表示陣列波導(dǎo)第4根波導(dǎo)中包含的兩種類(lèi)型波導(dǎo)的長(zhǎng)度,
表示第 A1+1根波導(dǎo)中包含的兩種類(lèi)型波導(dǎo)的長(zhǎng)度;則有
[0028] 其中,Δ?Λ ALn與兩種類(lèi)型波導(dǎo)分別對(duì)應(yīng)的有效熱光系數(shù)
滿(mǎn)
足 D:
[0029] 由上述技術(shù)方案可知,本實(shí)用新型提供的陣列波導(dǎo)光柵的工作波長(zhǎng)對(duì)溫度不敏 感,且對(duì)加工工藝要求低,結(jié)構(gòu)中需加工的最小線(xiàn)寬可以彡200nm,因此采用目前已經(jīng)普及 商用的中低端〇. 18 μπι微納加工工藝即可完成批量加工生產(chǎn),從而具有低成本的特點(diǎn),在 集成光電子領(lǐng)域具有很高的應(yīng)用價(jià)值。
【附圖說(shuō)明】
[0030] 圖1為本實(shí)用新型一實(shí)施例提供的陣列波導(dǎo)光柵的結(jié)構(gòu)示意圖;
[0031] 圖2為圖1中示出的條形波導(dǎo)和條形-溝道混合型波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)示意圖及波導(dǎo)模式 光場(chǎng)能流密度分布對(duì)比圖;
[0032] 圖3為本實(shí)用新型一實(shí)施例中連接條形波導(dǎo)與條形-溝道混合型波導(dǎo)所采用的波 導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器示意圖;
[0033] 圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的陣列波導(dǎo)光柵的結(jié)構(gòu)示意圖;
[0034] 圖5為本實(shí)用新型實(shí)施例與傳統(tǒng)陣列波導(dǎo)光柵的信道中心波長(zhǎng)隨溫度漂移量對(duì) 比分析圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例,對(duì)本實(shí)用新型的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下 實(shí)施例用于說(shuō)明本實(shí)用新型,但不用來(lái)限制本實(shí)用新型的范圍。
[0036] 圖1示出了本實(shí)用新型一實(shí)施例提供的陣列波導(dǎo)光柵的結(jié)構(gòu)示意圖,如圖1所示, 本實(shí)施例的陣列波導(dǎo)光柵包括:輸入星形耦合器1、陣列波導(dǎo)2和輸出星形耦合器3 ;
[0037] 本實(shí)施例中,輸入星形耦合器1有N個(gè)輸入端口及Q個(gè)輸出端口,N個(gè)輸入端口作 為陣列波導(dǎo)光柵的輸入端口,Q個(gè)輸出端口與陣列波導(dǎo)2的輸入端 對(duì)應(yīng)連接;輸出星形 耦合器3有Q個(gè)輸入端口及M個(gè)輸出端口,Q個(gè)輸入端口與陣列波導(dǎo)2的輸出端一一對(duì)應(yīng) 連接,M個(gè)輸出端口作為陣列波導(dǎo)光柵的輸出端口;
[0038] 圖1中所示的陣列波導(dǎo)2由若干條光程長(zhǎng)呈等差數(shù)列的波導(dǎo)(對(duì)應(yīng)圖1中的 A1, AyAtj)構(gòu)成,且陣列波導(dǎo)2中所有波導(dǎo)或部分波導(dǎo)由條形波導(dǎo)與條形-溝道混合型波導(dǎo) 組合而成。
[0039] 在實(shí)際應(yīng)用中,陣列波導(dǎo)中每一波導(dǎo)包括:兩段條形波導(dǎo)21a及一段條形-溝道 混合型波導(dǎo)21b,且采用第一段條形波導(dǎo)21a、條形-溝道混合型波導(dǎo)21b、第二段條形波導(dǎo) 21a依次級(jí)聯(lián)的方式組合。
[0040] 在本實(shí)施例中,陣列波導(dǎo)中任意相鄰波導(dǎo)中所包含的兩種類(lèi)型波導(dǎo)的長(zhǎng)度差為:
[0041] 若用if,/f表示陣列波導(dǎo)第A1根波導(dǎo)中包含的兩種類(lèi)型波導(dǎo)的長(zhǎng)度,
.表示 第A1+1根波導(dǎo)中包含的兩種類(lèi)型波導(dǎo)的長(zhǎng)度;則有
[0042] 其中,Δ?Λ ALn與兩種類(lèi)型波導(dǎo)分別對(duì)應(yīng)的有效熱光系數(shù)
足
[0043] 應(yīng)說(shuō)明的是,陣列波導(dǎo)中任一波導(dǎo)均包括的兩種類(lèi)型波導(dǎo),即條形波導(dǎo)和條 形-溝道混合型波導(dǎo)。此時(shí)的該條形波導(dǎo)類(lèi)型的波導(dǎo)長(zhǎng)度為圖1中示出的兩段條形波導(dǎo) 21a之和。在圖1中,兩段條形波導(dǎo)21a是等長(zhǎng)的。
[0044] 另外,每一條形波導(dǎo)21a與條形-溝道混合型波導(dǎo)21b均采用波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器22 連接。
[0045] 舉例來(lái)說(shuō),波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器22為多模干涉型波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器;該多模干涉型波導(dǎo) 模式轉(zhuǎn)換器包括:多模波導(dǎo)區(qū)域、寬度漸變的條形-溝道混合型波導(dǎo)區(qū)域,如圖3所示;
[0046] 其中,所述多模波導(dǎo)區(qū)域的一端用于連接條形波導(dǎo),另一端連接所述寬度漸變的 溝道波導(dǎo)區(qū)域的一個(gè)波導(dǎo)端面,所述寬度漸變的條形-溝道混合型波導(dǎo)區(qū)域的另一波導(dǎo)端 面用于連接條形-溝道混合型波導(dǎo),所述寬度漸變的條形-溝道混合型波導(dǎo)區(qū)域中的溝道 與所述條形-溝道混合型波導(dǎo)的溝道一一對(duì)應(yīng),如圖3所示。
[0047] 本實(shí)施例的對(duì)溫度不敏感的陣列波導(dǎo)光柵中陣列波導(dǎo)2由條形波導(dǎo)與條形-溝道 混合型波導(dǎo)組合構(gòu)建。
[0048] 本實(shí)施例中,波導(dǎo)材料可選取上包層和襯底都為二氧化硅的硅波導(dǎo)。條形波導(dǎo)與 條形-溝道混合型波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)示意圖及光場(chǎng)能流密度分布如圖2所示,其中波導(dǎo)厚度為 220±1011111,條形波導(dǎo)寬度為450±1011111,溝道波導(dǎo)總寬度為600±1011111,溝道位于溝道波導(dǎo) 中心且寬度為200±10nm,溝道中被硅材料填充的厚度為60±10nm。由圖2可知這兩種波 導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光場(chǎng)分布存在較大差異,因而他們的基本性能參數(shù)也存在較大差異,如下述表一 所示。兩種波導(dǎo)在具體應(yīng)用中采用圖3所示的波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器連接,其中模式轉(zhuǎn)換器長(zhǎng)度 L = 5 μ m± 10nm,多模干涉區(qū)域?qū)挾?Wmmi= 1. 25 μ m± 10nm,長(zhǎng)度 L mmi= 1. 40 μ m± 10nm。
[0049]表一:
[0051] 需要說(shuō)明的是,陣列波導(dǎo)光柵可為非良導(dǎo)體材料的波導(dǎo);或者,所述陣列波導(dǎo)光柵 為非良導(dǎo)體材料與金屬結(jié)合的表面等離子體材料的波導(dǎo)。
[0052] 舉例來(lái)說(shuō),所述表面等離子體材料的波導(dǎo)為:所述非良材料表面覆蓋一層金屬。例 如,娃的表面覆蓋一層銀;娃的表面覆蓋一層金;二氧化娃的表面覆蓋一層銀;或者,二氧 化娃的表面覆蓋一層金。
[0053] 前述的非良導(dǎo)體材料可為電介質(zhì)、半導(dǎo)體或有機(jī)物。該電介質(zhì)可為二氧化娃、二 氧化鈦或氧化鎵;半導(dǎo)體為硅、鍺、氮化硅或三五族光電子化合物,(例如,磷化銦或氮化鎵 等)。
[0054] 本實(shí)施例提供的陣列波導(dǎo)光柵的工作波長(zhǎng)對(duì)溫度不敏感,且對(duì)加工工藝要求低, 結(jié)構(gòu)中需加工的最小線(xiàn)寬可以彡200nm,因此采用目前已經(jīng)普及商用的中低端0. 18 μπι微 納加工工藝即可完成批量加工生產(chǎn),從而具有低成本的特點(diǎn),在集成光電子領(lǐng)域具有很高 的應(yīng)用價(jià)值。
[0055] 為更好的說(shuō)明前述的陣列波導(dǎo)光柵的結(jié)構(gòu),下面對(duì)陣列波導(dǎo)光柵的結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò) 程/設(shè)計(jì)方法說(shuō)明如下。
[0056] 圖1所示的輸入星形耦合器1有N個(gè)輸入端口及Q個(gè)輸出端口,N個(gè)輸入端口作為 陣列波導(dǎo)光柵的輸入端口,依次編號(hào)為I 1,12…L,Q個(gè)輸出端口與陣列波導(dǎo)中的輸入端 對(duì)應(yīng)連接;輸出星形耦合器3有Q個(gè)輸入端口及M個(gè)輸出端口,Q個(gè)輸入端口與陣列波導(dǎo)中 的輸出端 對(duì)應(yīng)連接,M個(gè)輸出端口作為陣列波導(dǎo)光柵的輸出端口,依次編號(hào)為O1, (V·· 〇Μ;
[0057] 陣列波導(dǎo)2由Q根光程長(zhǎng)呈等差數(shù)列的波導(dǎo)組成,依次編號(hào)為A1, A tj,且其中所 有或部分波導(dǎo)由條形波導(dǎo)與條形-溝道混合型波導(dǎo)組合而成。
[0058] 若輸入和輸出星形耦合器都采用羅蘭圓結(jié)構(gòu)構(gòu)建,并用
分別表示陣列 波導(dǎo)中任意兩根相鄰波導(dǎo)的光程長(zhǎng)。以第~與六1+1根波導(dǎo)為例說(shuō)明,則從任一輸入端口 In 經(jīng)八;與A i+1傳輸至任一輸出端口(^的信道工作波長(zhǎng)λ由光程差A(yù)OL Mf描述:
[0060] 公式⑴中上標(biāo)I,II分別表示陣列波導(dǎo)中用到的