专利名称：基于耦合光波导的可调光延时线的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于耦合光波导的可调光延时线，属于硅基光子学领域。
背景技术：
硅基光子器件是近年来的研究热点，许多无源和有源的光子器件被研究人员所提出，包括缓存器，滤波器，开关，调制器，探测器及激光器等。这些分立器件或者混合集成可用于片上光信号处理。光信号的延时(或缓存)是时域光信号处理中的基本功能。光子不能够被存储，因此光缓存实现的方法是使光信号在导光介质中延时一段时间，可以从减慢光的传播速度与延长传输介质长度量方面考虑。目前提出两类实现光缓存方法
慢光型和光纤延时线型。对于慢光型光缓存结构，硅基微环谐振器及光子晶体波导被广泛的应用。调节相应波导或器件的色散是达到延迟的有效途径，除了微环和光子晶体，波导的耦合也是一种有效调节波导传输以及色散性能的方法。综合已报道的慢光型光缓存器类型，在波导结构及器件原理等方面，都需要进行拓展创新，以满足应用的要求。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种基于耦合光波导的可调光延时线，该耦合光波导由两根具有不同色散特性的光波导所组成，两个波导之间的耦合引起结构的色散，在相位匹配的波长节点处耦合模的群速度经历了快速的跳变，产生延时。加入热电极后，通过热光效应的调节，光信号可在较大范围内达到低失真传输及延时可调的效果。波导耦合能力的强弱决定了热光效应对群速度调节的敏感性。本发明的技术解决方案如下
一种基于耦合光波导的可调光延时线，其特点在于该可调光延时线由两根互相平行或垂直的光波导构成，当两根波导相互靠近至O. 3-0. 8 Mffl时，通过倏逝波互相耦合。所述的两根光波导是具有不同色散曲线的光波导，且色散曲线在相位匹配的波长节点处相交。所述的两根光波导分别为一根脊型娃波导和一根缝隙波导、一根脊型娃波导和一根脊型氮化娃波导，二根脊型娃波导或一根脊型娃波导和一根光子晶体波导。所述的两根光波导相互耦合，耦合模的群速度在交点处产生跳变。与现有技术相比，本发明的有益效果是两根波导相互耦合，耦合模的群速度在交点处经历了快速的跳变，产生延时。通过热光效应的调节，光信号可在较大范围内达到低失真传输及延时可调的效果。
图I为本发明中第一种实施例的两根波导(脊型硅(Si)波导和缝隙硅波导)水平的结构示意图。
图2为耦合光波导的有效折射率图。图3为激发的对称模在耦合光波导中的模式分布图。图4为热电极的结构示意图。图5为耦合光波导的群速度色散图。图6为耦合光波导两种模式下的群速度色散图与相应的脉冲延时图
图7为本发明中第二种实施例的两根波导(脊型硅(Si)波导和脊型氮化硅(Si3N4)波导耦合)水平耦合的结构示意图。 图8为本发明中第三种实施例的两根波导(脊型硅(Si)波导和脊型氮化硅(Si3N4)波导耦合)垂直耦合的结构示意图。图9为本发明中第四种实施例的两根波导(两个不同尺寸的脊型硅(Si)波导耦合)水平耦合的结构示意图。图10为本发明中第五种实施例的两根波导(脊型娃(Si)波导和光子晶体波导率禹合)水平耦合的结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进ー步阐述，但不以此限制本发明的保护范围。图I为本发明中第一种实施例的两根波导(脊型硅(Si)波导和缝隙硅波导)水平的结构示意图。如图所示，可调光延时线由互相平行的一根脊型硅(Si)波导I和ー根缝隙波导2组成。当两根波导相互靠近时(大约O. 3-0. 8 Mffl)，通过倏逝波相互耦合。该耦合波导结构可以支持对称与反对称两种耦合光波导模式，在相位匹配的波长节点处，两种耦合模的群速度经历了快速的跳变，产生较大的延时变化量。图2是对应于图I耦合光波导的有效折射率图。其中，脊型硅(Si)波导的截面积为300 nmX340 nm,缝隙光波导的截面积为440 nmX340 nm,缝隙宽度为20 nm,两根波导的间隔距离为500 nm,娃和氧化层材料的折射率分别为3. 478及I. 444。由该图可知，在短波长范围，对称模接近于脊型光波导模，反对称模接近于缝隙光波导模；在长波长范围，对称模接近于缝隙光波导模，反对称模接近于脊型光波导模。图3所不为在不同的波长情况下,激发的对称模在稱合光波导中的模式分布图，能量分布情况与图2相吻合。耦合光波导的结构色散可以通过级联分别激发不同耦合模的两个耦合波导来补偿，产生低色散的效果。图4所示为热电极的结构示意图。首先在做好的波导中淀积ー层氧化硅(oxide)，然后淀积金属钨(W)作为热电极。热电极选择高电阻率的材料，比如鹤(W)、铬(Cr)、氮化钛(TiN)等。为了折中响应速度及顶部金属对光场的吸收,氧化娃(oxide)的厚度h需适中，一般为O. 5-lMffl。氧化硅的厚度太厚，会影响器件的响应速度，氧化硅的厚度太薄会影响顶部金属对光场的吸收。本实施例中oxide的厚度h选择O. 9Mm,热电极的宽度w选择12. 5Mm。图5是对应于图I的群速度色散图，当温度升高，相位匹配波长节点位置发生红移。如图5所示，随着温度的升高，当光信号加载在对称模式的载波上，信号的延时増大；当光信号加载在反对称模式的载波上，信号的延时减小，从而达到延时量可调的效果。波导耦合能力的強弱决定了热光效应或电光效应对群速度调节的敏感性。图6是对应于图I的耦合光波导在两种模式下的群速度色散图与相应的脉冲延时图。虽然群延时在相位匹配的波长节点处对温度的变化非常敏感，但相应的群延时色散非常大。耦合光波导长度设计为10 Cm,图6 (a)所示的是耦合光波导中对称模式的群延时色散，图6 (b)所不的是ー个半高宽为10 ps的高斯脉冲加载在对称模式的传输情况，当温度增长50°C时可得到了大约190 ps的延时增加。图6 (c)，(d)所示的是ー个非対称模式作为载波，当温度升高所引起的延时减小。通过热光效应，该耦合光波导的延时量可调。图6 (e)所示为分别激发不同耦合模的长度为5 cm的两个耦合光波导级联的色散曲线，色散可以通过该方法得到补偿，从而产生低色散的效果，如图6 (f)所示。由图6(a)和(b)可知，两种耦合模的色散曲线互补，因此，如图6 (e)和(f)，色散可以通过级联分别激发不同耦合模的两个耦合光波导来补偿，两个耦合结构的光信号延时变化量减小，产生低色散的效果。图7为本发明中第二种实施例的两根波导，脊型硅(Si)波导和脊型氮化硅(Si3N4)波导的水平耦合结构示意图。该耦合波导可引起总体的结构色散，在热光效应的调节下达到延时可调的效果。图8为本发明中第三种实施例的两根波导(脊型硅(Si)波导和脊型氮 化硅(Si3N4)波导耦合)垂直耦合的结构示意图。图9为本发明中第四种实施例的两根波导(两个不同尺寸的脊型硅(Si)波导耦合)水平耦合的结构示意图，小尺寸硅波导的基模与大尺寸硅波导的ニ阶模相互耦合，可达到延时可调的效果。图10为本发明中第五种实施例的两根波导(脊型硅(Si)波导和光子晶体波导耦合)水平耦合的结构示意图，同样可达到延时可调的效果。
权利要求
1.一种基于耦合光波导的可调光延时线，其特点在于该可调光延时线由两根互相平行或垂直的光波导构成，当两根波导相互靠近至O. 3-0. 8 Mffl时，通过倏逝波互相耦合。
2.如权利要求I所述的基于耦合光波导的可调光延时线，其特征在于所述的两根光波导是具有不同色散曲线的光波导，且色散曲线在相位匹配的波长节点处相交。
3.如权利要求2所述的基于耦合光波导的可调光延时线，其特征在于所述的两根光波导分别为一根脊型娃波导和一根缝隙波导、一根脊型娃波导和一根脊型氮化娃波导，二根脊型娃波导或一根脊型娃波导和一根光子晶体波导。
全文摘要
本发明公开了一种基于耦合光波导的可调光延时线,由两根互相平行或垂直的光波导构成，当两根波导相互靠近至0.3-0.8μm时，通过倏逝波互相耦合。它主要由两根具有不同色散曲线的光波导所组成,且两波导的色散曲线在相位匹配的波长节点处相交。两根波导相互耦合,耦合模的群速度在交点处经历了快速的跳变,产生延时，通过热光效应的调节,光信号可在较大范围内达到低失真传输及延时可调的效果。
文档编号G02B6/24GK102681091SQ20121010610
公开日2012年9月19日 申请日期2012年4月12日 优先权日2012年4月12日
发明者周林杰, 孙晓萌, 朱海柯, 谢静雅, 陈建平 申请人:上海交通大学