CN111781675A - 一种凸型多模光波导及多模色散调控方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种凸型多模光波导及多模色散调控方法，多模光波导包括光波导层、绝缘层、衬底层；绝缘层位于衬底层之上，光波导位于绝缘层之上。凸型多模光波导的形貌可以是一个凸形结构，也可以是多个凸形结构的组合。凸型多模光波导的色散控制方法可以控制凸型多模光波导中多个空间模式的色散，首先，设计光波导层的一组结构尺寸参数，包括宽度W，横向刻蚀宽度W1，垂直刻蚀深度H，根据不同空间模式在所述新型的凸型多模光波导的有效折射率的二阶导数计算得到不同空间模式的色散曲线；然后，通过调整宽度W、横向刻蚀宽度W1、垂直刻蚀深度H中的一个参数或多个参数，从而实现多个空间模式的色散控制。

Description

一种凸型多模光波导及多模色散调控方法
技术领域
本发明属于集成光电子领域，具体涉及一种新型光波导及多模色散调控的方法。
背景技术
模分复用硅基集成光路技术在扩大光通信和光互联的带宽等有着极大的应用潜力。与其他复用技术(例如时分复用、波分复用、偏振分复用等)一样，多模光波导中的多个正交的空间模式被用做信道，为扩充光通信网络的信息容量提供了一个额外的自由度。通过充分利用该技术的特点，在高速光互联领域具有10.68Tbit/s的数据传输速度已经被证实。除此之外，模分复用硅基光子集成回路被广泛的应用于片上光接收器、光开关、光路由等领域。
另一方面，由于硅材料在1550nm波段具有高达2.6×10^-18m2/W的克尔非线性折射率，硅基光子集成回路在光参量器件、非线性光学信号处理等非线性光学领域受到了广泛的关注。那么为了在硅波导中实现高效率和高带宽的光参量应用，控制材料的群速度色散是必不可少的一项技术。之前的研究已经表明，通过调节硅波导的结构特征及其相应的参数，可以在一个极短的光谱范围内获得一个扁平的异常色散曲线，从而在多个波长实现相同的操作。因此，在单一模式下，片上光频梳、超连续谱、信号参量放大和再生等技术获得了广泛的研究。然而，群速度色散对波导内的空间模式有很强的依赖性，在多个空间模式下，不同空间模式的色散曲线不同，从而导致相应的模分复用光参量器件和应用仍然具有一定的挑战。可以预料的是，对于多个空间模式，具有平坦和反常的群速速分布的多模波导将有助于实现模式复用光学参数器件，以及模分复用和波分不用的多维信号处理。
针对单一模式的色散调控，科研工作者已经进行了广泛的研究。在论文方面，2006年，美国康奈尔大学的Michal Lipson等人在条形硅波导上实现了色散的调控(OpticsExpress,14,10,4357)。通过调整波导的横截面积和形状，群速度色散可以在-2000ps/nm/km到1000ps/nm/km的范围内调控。2006年美国罗彻斯特大学的Govind P.Agrawal等人利用有效折射率的方法研究了绝缘体上硅波导的色散控制，通过调整波导尺寸可以将硅波导在1550nm的色散调控为零色散(Optics Letters,31,9,1295)。2010年西班牙的巴伦西亚理工大学的Javier Martí等人研究了单模狭缝波导的色散调控(Optics Express,18,20,20839)。研究发现零色散波长和峰值色散可以通过调控波导的横截面积、缝隙填充因子和缝隙不对称度等参数得到。然而，上述研究均是对波导中单个模式(波导的基模)色散的调控，未实现对多个空间模式(波导的基模和高阶模)色散的调控。
在专利方面，2016年天津大学的张林等人通过调整波导芯区与基底接触面的宽度、高折射率材料的高度和低折射率材料的高度中的一个或多个参数，从而实现色散控制，申请了中国发明专利(201610149999.5)。2017年清华大学的陈明华等人利用模式耦合原理通过对波导芯之间的宽度间隔的调整即可实现色散值的控制，申请了中国发明专利(201710525571.0)。然而，在以上波导色散调控的专利中，同样均未实现对多个空间模式色散的控制。
综上所述，虽然波导中色散调控已经被广泛的研究，但是由于色散对空间模式的依赖性，波导中多个空间模式的色散控制仍然难以实现，一定程度上限制了模分复用光参量器件的研制和应用。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中的由于不同空间模式的色散曲线不同，对模分复用光参量器件和应用造成的局限性。提出一种凸型多模光波导及多模色散调控方法。
本发明的目的是通过以下几种技术方案实现的：
一种凸型多模光波导，包括从上到下依次设置的光波导层、绝缘层和衬底层；所述多模光波导整体是凸形结构或是由若干个凸形结构组合而成，工作范围是可见光波段、通信光波段、中红外波段和远红外波段。
进一步的，所述光波导层材料是由硅、锗、硅锗混合物、氮化硅、磷化铟、砷化镓、铌酸锂中的一种构成。
进一步的，所述凸型多模波导支持若干个空间模式，并且空间模式是横电模或横磁模。
一种凸型多模光波导的制作方法，凸型多模光波导通过激光直写、电子束曝光结合刻蚀、光刻结合刻蚀或聚焦离子束制作完成。
一种凸型多模光波导的色散调控方法，通过控制凸型多模光波导的凸形结构的数量、分布和几何尺寸，针对凸型多模光波导内的各个空间模式分别实现色散控制。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
(1)本发明所涉及的色散控制方法可以同时分别对波导中多个空间模式实现正常色散或反常色散，有助于实现在同一个波导中对多个空间模式进行高效率的非线性光学频率变换，可以用于开发片上集成的多模非线性光学激光器。
(2)本发明器件的制作工艺与现有的CMOS工艺完全兼容，有利于实现器件的大规模量产。
(3)本发明为研究片上集成的模分复用非线性光学信号处理技术及应用开辟了一条新的途径。本发明所涉及的新型光波导可以针对不同的空间模式实现灵活的色散剪裁，从而平衡四波混频等非线性效应在不同空间模式中的转换效率，推动片上集成的模分复用非线性光学信号处理技术的发展，在光通信和光互连等领域具有广泛应用前景。
附图说明
图1为本发明新型的凸型多模光波导的结构示意图。
图2为硅的材料色散曲线。
图3为波导宽度为0.8μm，横向刻蚀宽度为0.5μm，刻蚀宽度为70nm时TE0和TE1的色散曲线。
图4为波导宽度为1μm，横向刻蚀宽度为0.4μm，刻蚀宽度为150nm时TE0和TE1的色散曲线。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种新型的凸型多模光波导，包括：光波导层1，绝缘层2，衬底层3，绝缘层2位于衬底层3之上，光波导层1位于绝缘层2之上。
上述的波导结构可用于调控多个空间模式的色散。首先，设计光波导层的一组结构尺寸参数，包括光波导层的宽度W，光波导层的横向刻蚀宽度W1，光波导层的垂直刻蚀深度H，根据不同模式在凸型多模光波导的有效折射率的二阶导数计算得到不同空间模式的色散曲线；然后，通过调整光波导层的宽度W、光波导层的横向刻蚀宽度W1、光波导层的垂直刻蚀深度H中的一个参数或多个参数，从而实现多个空间模式的色散控制。
为了进一步说明所提出的技术，本发明利用了商业软件工具Rsoft，基于光束传播方法的全矢量模式求解器，模拟了光波导的有效折射率，然后根据模拟结果计算了群速度色散曲线。群速度色散计算公式如下所示：
Figure BDA0002563769810000031
其中，λ为光波的波长，c为光速，neff为光波导的有效折射率，d代表求导。整个光波导的群速度色散包括材料色散和光波导色散。在计算中，在模拟光波导的有效折射率时，考虑了硅的材料色散，材料色散由Sellemier提供，通过计算有效折射率对波长的二阶导数获得了材料的色散，结果如图2所示。Sellemier方程如下所示：
Figure BDA0002563769810000041
n是硅材料的折射率，C1，C2，C3，C4，C5，C6分别为各种材料对应的常数，例如对于硅材料，C1＝10.66842933，C2＝0.301516485，C3＝0.003043475，C4＝1.13475115；C5＝1.54133408，C6＝1104.0；对于二氧化硅材料，C1＝0.6961663，C2＝0.0684043，C3＝0.4079426，C4＝0.1162414，C5＝0.8974794，C6＝9.896161。
如图1所示，所选光波导层的横截面为凸型，光波导材料选为硅材料，绝缘层材料选作二氧化硅材料，其顶硅层厚度为220nm，氧化埋层厚度为2μm。采用商用软件Rsoft计算TE0和TE1的有效折射率，并通过Matlab软件利用公式(1)计算TE0和TE1的色散。本实施例中波导宽度为0.8μm，横向刻蚀宽度为0.5μm，刻蚀宽度为70nm。分别计算TE0和TE1模式在1.25μm到1.9μm的有效折射率，然后利用公式(1)计算TE0和TE1空间模式的色散曲线，结果如图3所示。此时TE0和TE1的群速度色散曲线变化趋势基本一致，在1.37μm到1.75μm的范围内获得了-1500ps/nm/km到-1000ps/nm/km的平坦的色散曲线。
实施例2
如图1所示，所选光波导层的横截面为凸型，光波导材料选为硅材料，绝缘层材料选作二氧化硅材料，其顶硅层厚度为220nm，氧化埋层厚度为2μm。采用商用软件Rsoft计算TE0和TE1的有效折射率，并通过Matlab软件利用公式(1)计算TE0和TE1的色散。本实施例中波导宽度为1μm，横向刻蚀宽度为0.4μm，刻蚀宽度为150nm。分别计算TE0和TE1模式在1.25μm到1.9μm的有效折射率，然后利用公式(1)计算TE0和TE1空间模式的色散曲线，结果如图4所示。此时TE1的群速度色散曲线先增加后减小，而TE0模式的群速度色散曲线逐渐增加。
最后，上述实施例的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种凸型多模光波导，其特征在于，包括从上到下依次设置的光波导层、绝缘层和衬底层；所述多模光波导整体是凸形结构或是由若干个凸形结构组合而成，工作范围是可见光波段、通信光波段、中红外波段和远红外波段。
2.根据权利要求1所述凸型多模光波导，其特征在于，所述光波导层材料是由硅、锗、硅锗混合物、氮化硅、磷化铟、砷化镓、铌酸锂中的一种构成。
3.根据权利要求1所述凸型多模光波导，其特征在于，所述凸型多模波导支持若干个空间模式，并且空间模式是横电模或横磁模。
4.一种凸型多模光波导的制作方法，其特征在于，凸型多模光波导通过激光直写、电子束曝光结合刻蚀、光刻结合刻蚀或聚焦离子束制作完成。
5.一种凸型多模光波导的色散调控方法，其特征在于，通过控制凸型多模光波导的凸形结构的数量、分布和几何尺寸，针对凸型多模光波导内的各个空间模式分别实现色散控制。
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