一种宽带温度不敏感的光波导器件

摘要

本发明公开了一种宽带温度不敏感的光波导器件，包括相互层叠的芯区和包层，所述芯区采用硅，所述包层采用二氧化钛，所述包层的另一面设有覆盖层，所述覆盖层采用正热光系数的材料，光波导中每层结构的光强限制因子受波长的影响，波长变大后，光在光波导内传输的倏逝场变大，相应地在包层中的光强限制因子也变大；因此对应不同的波长，每一层的光强限制因子将发生变化，随波长的变大，光波导总的热光系数不再是随温度单调的变化，变成类似抛物线变化的曲线，能够实现宽波长范围的温度不敏感。

权利要求

1.一种宽带温度不敏感的光波导器件，包括相互层叠的芯区和包层，所述芯区采用硅，所述包层采用二氧化钛；所述包层的另一面设有覆盖层，所述覆盖层采用正热光系数的材料，整个光波导的热光系数表达式为：式（1）的等式右边：

第一项的系数  为芯区材料的光强限制因子，  为硅的热光系数；

第二项的系数  为包层材料的光强限制因子，  为二氧化钛的热光系数；

第三项的系数 为覆盖层材料的光强限制因子， 为覆盖层材料的热光系数；

光波导中芯区材料、包层材料和覆盖层材料的光强限制因子是指：在光波导横截面上芯区、包层和覆盖层每一个区域中电场强度平方的面积积分占总电场平方的比率 ：      （2）

式（2）中，E是电场强度，A是所指区域；

其特征在于：

针对覆盖层是氮化硅材料、且氮化硅高度为500nm，光波导的宽度为500 nm，芯区和包层的高度有以下情形之一：芯区的高度为140nm，包层的高度为136nm；

芯区的高度为150nm，包层的高度为160nm；

芯区的高度为160nm，包层的高度为190nm。

2.根据权利要求1所述宽带温度不敏感的光波导器件，其特征在于，所述硅的热光系数为 ，二氧化钛的热光系数为 ，氮化硅的热光系数为 。

说明书

一种宽带温度不敏感的光波导器件

技术领域

[0001] 本发明涉及硅基光波导领域，具体地说，涉及一种新型的宽波长范围温度不敏感光波导器件。

背景技术

[0002] 由于硅材料较高的热光特性，基于SOI绝缘体上硅波导的微型谐振腔在工作时由于高温带来的材料折射率改变将影响其谐振特性，导致谐振波长的漂移，为了实现温度不敏感国内外有很多方法，主要分为有源和无源，有源方法通过加一个反馈型热电控温系统来[1]实现，这种方法将产生额外的功耗，不利于硅基集成；无源方法包括：Guha等人于2010[2]年提出的提出了运用马赫曾德尔干涉仪减少温度敏感性方法 进行耦合实现热补偿，这种方法尺寸较大，降低了光波导原有的集成度；通过加一个负热温系数的包层材料也可以实现温度不敏感，由Kobukun等人于1998年首先提出[3]将负热温系数的聚合物PMMA补偿硅材料本身的热光系数，但是考虑到聚合物材料的机械化学不稳定性，不能实现CMOS兼容；二氧[4]
化钛材料也具有负热光系数，因此也可以用来实现温度不敏感 ，相较于polymer，二氧化钛材料具有机械稳定性，能够与COMS兼容。

[0003] 现有的实现温度不敏感光波导都是针对单波长来进行尺寸设计，这种设计的缺陷在于无法利用在需要在宽波长范围内实现精确不易受温度变化的谐振波长的器件设计中(例如硅基波分复用微环谐振腔等结构)。

[0004] [参考文献]

[0005] [1]K Padmaraju，J Chan et al.Thermal stabilization of a microring modulator using feedback control[J].Optics Express,2012,20(27):27999-8008。

[0006] [2]B Guha,M Lipson et al.CMOS-compatible athermal silicon microring resonators[J].Optics Express,2010,18(4):3487-93。

[0007] [3]Y.Kokubun,S.Yoneda,and S.Matsuura,Temperature-independent optical filter at 1.55μm wavelength using a silica-based athermal waveguide[J],Electron.Lett.34(4),367–369(1998)。

[0008] [4]SS Djordjevic,K Shang,B Guan et al.CMOS-compatible,athermal silicon ring modulators clad with titanium dioxide[J].Optics Express,2013,21(12):13958-13968。

发明内容

[0009] 为了解决现有的光波导对于宽波长范围内温度敏感这一特性，针对现有的通过叠加二氧化钛做包层材料来实现单波长温度不敏感的光波导设计方法[4]，本发明提供一种宽带温度不敏感的光波导器件，通过叠加一层正热光系数材料的方法，实现了宽带光波导有效折射率和谐振波长随温度变化不敏感。

[0010] 为了解决上述技术问题，本发明提出的一种宽带温度不敏感的光波导器件，包括相互层叠的芯区和包层，所述芯区采用硅，所述包层采用二氧化钛，所述包层的另一面设有覆盖层，所述覆盖层采用正热光系数的材料，整个光波导的热光系数表达式为：

[0011]

[0012] 式(1)的等式右边：第一项的系数Γc(λ)为芯区材料的光强限制因子， 为硅的热光系数；第二项的系数Γcl1(λ)为包层材料的光强限制因子， 为二氧化钛的热光系数；第三项的系数Γcl2(λ)为覆盖层材料的光强限制因子， 为覆盖层材料的热光系数；光波导中芯区材料、包层材料和覆盖层材料的光强限制因子与该区域材料的光强占光波导总光强的比值成正比：每种材料的光强限制因子是指：在光波导横截面上芯区、包层和覆盖层每一个区域中电场强度平方的面积积分占总电场平方的比率ΓA：

[0013] ΓA＝∫∫A|E|2dxdy/∫∫∞|E|2dxdy   (2)

[0014] 式(2)中，E是电场强度，A是所指区域。

[0015] 本发明宽带温度不敏感的光波导器件，所述覆盖层采用的正热光系数的材料选自氮化硅、二氧化硅、硅和氮化铝中的任何一种。

[0016] 所述硅的热光系数为1.86×10-4K-1，二氧化钛的热光系数为-1.0×10-4K-1，氮化硅的热光系数为4.0×10-5K-1，二氧化硅的热光系数为1×10-5K-1，氮化铝的热光系数为6×10-5K-1。

[0017] 针对覆盖层是氮化硅材料、且氮化硅高度为500nm，光波导的宽度为500nm，芯区的高度为140nm，包层的高度为136nm。

[0018] 针对覆盖层是氮化硅材料、且氮化硅高度为500nm，光波导的宽度为500nm，芯区的高度为150nm，包层的高度为160nm。

[0019] 针对覆盖层是氮化硅材料、且氮化硅高度为500nm，光波导的宽度为500nm，芯区的高度为160nm，包层的高度为190nm。

[0020] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：

[0021] (1)通过在原有光波导基础的设计上添加正热光系数材料-SiN能够实现在一定波长范围内的有效折射率随温度不敏感，运用有限元软件进行仿真计算，先计算在单波长1550nm处实现单波长温度敏感所需要的二氧化钛层高度和氮化硅高度的组合，再在这个高度的基础上再扫描1450nm到2000nm的波长范围，得到有效折射率随波长变化曲线为类似抛物线的变化曲线。

[0022] (2)根据有效折射率的改变得到的谐振波长随温度偏移量的计算公式为：

[0023]

[0024] 由前一步所计算得到的有效折射率随温度变化可以得到谐振波长随温度的变化系数，由于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。

附图说明

[0025] 图1是本发明宽带温度不敏感的光波导器件的横截面示意图；

[0026] 图2是本发明实施例1光波导的热光系数随二氧化钛层高度的变化曲线；

[0027] 图3是本发明实施例2光波导的热光系数随二氧化钛层高度的变化曲线；

[0028] 图4是本发明实施例3光波导的热光系数随二氧化钛层高度的变化曲线；

[0029] 图5是对实施例1-3用COMSOL扫描1450到2000nm的波长范围得到光波导的热光系数随波长变化的曲线。

具体实施方式

[0030] 下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

[0031] 本发明宽带温度不敏感的光波导器件的主要的设计思路是：在硅波导上叠加一层二氧化钛这种负热光系数的材料作为包层的基础上，通过再叠加一层正热光系数的材料，来实现宽波长范围内的温度不敏感。

[0032] 本发明提出的一种宽带温度不敏感的光波导器件，包括相互层叠的芯区和包层，所述芯区采用硅，所述包层采用二氧化钛，所述包层的另一面设有覆盖层，图1所示该光波导器件的横截面示意图。所述覆盖层采用正热光系数的材料，所述正热光系数的材料可以选自氮化硅、二氧化硅、硅和氮化铝中的任何一种。所述硅的热光系数为1.86×10-4K-1，二氧化钛的热光系数为-1.0×10-4K-1，氮化硅的热光系数为4.0×10-5K-1，二氧化硅的热光系数为1×10-5K-1，氮化铝的热光系数为6×10-5K-1。

[0033] 整个光波导的热光系数表达式为：

[0034]

[0035] 式(1)的等式右边：

[0036] 第一项的系数Γc(λ)为芯区材料的光强限制因子， 为硅的热光系数；第二项的系数Γcl1(λ)为包层材料的光强限制因子， 为二氧化钛的热光系数；第三项的系数Γcl2(λ)为本发明在传统实现单波长温度不敏感光波导的基础上再添加的以正热光系数材料作为覆盖层的材料的光强限制因子， 为覆盖层材料的热光系数；光波导中芯区材料、包层材料和覆盖层材料的光强限制因子与该区域材料的光强占光波导总光强的比值成正比：每种材料的光强限制因子是指：在光波导横截面上芯区、包层和覆盖层每一个区域中电场强度平方的面积积分占总电场平方的比率ΓA：

[0037] ΓA＝∫∫A|E|2dxdy/∫∫∞|E|2dxdy   (2)

[0038] 式(2)中，E是电场强度，A是所指区域，诸如是芯区、包层或是覆盖层。

[0039] 光波导中每层(即芯区、包层和覆盖层)结构的光强限制因子受波长的影响，波长变大后，光在光波导内传输的倏逝场变大，相应地在包层中的光强限制因子也变大；因此对应不同的波长，每一层的光强限制因子将发生变化，换言之，当只有二氧化钛包层和硅芯区的情况下，一种光波导尺寸设计只能实现在一个波长下的温度不敏感，而在二氧化钛材料上再添加一层正热光系数材料，随波长的变大，光波导总的热光系数不再是随温度单调的变化，变成类似抛物线变化的曲线，因此，本发明设计的光波导器件能够实现宽波长范围的温度不敏感。

[0040] 为了确定宽带温度不敏感的光波导器件的横截面尺寸，以覆盖层为氮化硅为例，用有限元分析软件COMSOL进行如下仿真：

[0041] 首先，用有限元分析软件COMSOL模拟光波导总的热光系数，利用式(1)，其中，二氧化钛的热光系数取1×10-4K-1，硅的热光系数为1.86×10-4K-1，氮化硅材料的热光系数为4×10-5K-1，设定在覆盖层是氮化硅材料、且氮化硅高度为500nm，波长为1550nm，光波导的宽度为500nm的条件下，分别取芯区的高度为140nm、150nm和160nm，然后进行扫描二氧化钛层的高度，分别对应为136nm、160nm和190nm，从而得到每一种硅的高度下的光波导的热光系数随二氧化钛层高度的变化曲线，图2示出了芯区高度为140nm的光波导的热光系数随二氧化钛层高度的变化曲线，图3示出了芯区高度为150nm的光波导的热光系数随二氧化钛层高度的变化曲线，图4示出了芯区高度为160nm的光波导的热光系数随二氧化钛层高度的变化曲线。

[0042] 然后，就上一步得到的单波长(1550nm)下温度不敏感的二氧化钛和硅的三种高度组合(即芯区的高度为140nm，包层的高度为136nm；芯区的高度为150nm，包层的高度为160nm；芯区的高度为160nm，包层的高度为190nm)，用COMSOL扫描1450到2000nm的波长范围，得到光波导的热光系数随波长变化类似抛物线变化，如图5所示，可以得出本发明设计的光波导实现了宽波长范围内的温度不敏感。

[0043] 由图5中的扫描波长的结果(实线曲线)可以得出，本发明光波导中二氧化钛和硅的高度越小，得到的光波导热光系数随波长变化越平坦，这是因为通过降低二氧化钛和硅的高度，波长变长，倏逝场变大，将使得更多的光在由正热光系数材料(氮化硅)构成的覆盖层部分，光波导的热光系数随波长变化更加平坦，即本发明设计的光波导实现了宽带光波导有效折射率和谐振波长随温度变化不敏感。

[0044] 尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。