薄膜光波导及其制备方法与流程

本发明涉及一种薄膜光波导及其制备方法。

背景技术：

二维晶格亚波长薄膜光波导是一种利用亚波长特性的新型单模光波导。这种光波导由包括二氧化硅薄膜、光波导介质薄膜、设置在所述光波导介质薄膜中心的二维晶格薄膜材料夹层、以及包覆所述光波导介质薄膜和二维晶格薄膜材料夹层的二氧化硅包层组成。光波导中的二维晶格的晶格常数一般在400nm以下，远低于传播的光波长，光的衍射被抑制，因此可以等价于均匀介质光波导，非常适合传统光通信1310nm和1550nm的波长范围。该光波导的低损耗特性，使其成为多种光电器件如马赫曾德尔调制器、微环共振器等器件的理想光波导结构。常见的光波导介质薄膜材料，如硅、掺杂二氧化硅或铌酸锂都具有正热光系数，因此在温度升高时其折射率也会升高，造成光波导的有效折射率增大。由于光波导的有效折射率是器件性能的重要参数之一，有效折射率在温度升高时而增大会严重影响器件的工作效能。在光波导的正常使用过程中，其温度往往会有较大变化，因此热稳定性是决定一个光波导实际应用能力的重要因素之一。常用控温手段包括根据反馈主动调节的温控系统，然而这种方式并不能增强光波导固有的热稳定性，还有增加系统的复杂度、无法保证均匀温控等缺点。使用负热光系数镀层的非热敏光波导结构，需要额外的负热光系数镀层，增加了工艺的复杂度和成本。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种利用二维晶格亚波长薄膜光波导的负热光系数材料对光波导介质薄膜进行热光系数补偿，以得到具有热稳定性的薄膜光波导。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种薄膜光波导，包括硅基衬底、设置在所述硅基衬底上的包层、以及设置在所述硅基衬底上的光波导芯层，所述光波导芯层设于所述包层之中并且所述光波导芯层折射率高于所述包层的折射率，所述光波导芯层包括双层光波导介质薄膜以及设置于所述双层光波导介质薄膜之间的薄膜材料夹层，所述薄膜材料夹层为二维晶格亚波长结构，所述薄膜材料夹层为用以对所述光波导介质薄膜进行热光系数补偿的负热光系数材料。

进一步地，所述负热光系数材料为二氧化钛、氧化锌和镁掺杂氧化锌中的一种。

进一步地，所述负热光系数材料的有效热光系数与所述负热光系数材料的厚度负相关。

进一步地，所述光波导介质薄膜为正热光系数材料。

进一步地，所述光波导介质薄膜为掺杂二氧化硅。

进一步地，所述掺杂二氧化硅为2％锗掺杂二氧化硅。

进一步地，所述二维晶格亚波长结构为布拉维晶格结构或准晶格结构。

进一步地，所述布拉维晶格结构为正方形或六角形。

进一步地，所述准晶格结构为八边形或十边形或十二边形。

进一步地，所述二维晶格亚波长结构包括晶格点，所述晶格点为圆形、椭圆形、十字交叉形、六角形、八角形中的一种。

本发明还提供了一种用以制备所述薄膜光波导的制备方法，所述制备方法如下：

s1、提供硅基衬底，在所述硅基衬底上形成下层光波导介质薄膜；

s2、使用负热光系数材料制备所述薄膜材料夹层；

s3、将所述薄膜材料夹层制备成所述二维晶格亚波长结构；

s4、制备上层光波导介质薄膜，所述下层光波导介质薄膜和所述下层光波导介质薄膜形成所述双层光波导介质薄膜；

s5、制备所述包层。

本发明的有益效果在于：本发明所提供的薄膜光波导的薄膜材料夹层为负热光系数材料，利用负热光系数材料对光波导介质薄膜进行热光系数补偿，故无需设置额外的负热光系数镀层，降低了工艺的复杂成度和成本，确保了均匀控温，简化了薄膜光波导的结构并保证了薄膜光波导的热稳定性能。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为为本发明一实施例中二维晶格亚波长薄膜光波导的结构示意图；

图2为图1中二维晶格亚波长薄膜光波导的另一方向的结构示意图；

图3为图1中热光系数补偿的二维晶格亚波长薄膜光波导在不同温度下的有效折射率；

图4为图1中薄膜光波导在不同二氧化钛厚度下的有效热光系数。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的机构或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

请参见图1和图2，本发明一实施例所示的薄膜光波导，包括硅基衬底1、设置在所述硅基衬底1上的光波导芯层2、以及设置在所述硅基衬底1上的包层(未图示)，所述光波导芯层2设于所述包层之中并且所述光波导芯层2折射率高于所述包层的折射率。具体的，所述光波导芯层2包括厚度相同的双层光波导介质薄膜21以及设置于所述双层光波导介质薄膜21之间的薄膜材料夹层22。所述光波导介质薄膜21一般使用正热光系数的掺杂二氧化硅。所述薄膜材料夹层22为用以对所述光波导介质薄膜21进行热光系数补偿的负热光系数材料，具体的，薄膜材料夹层22为二氧化钛、氧化锌以及镁掺杂氧化锌负热光系数材料中的一种。

所述薄膜材料夹层22为二维晶格亚波长结构，所述二维晶格亚波长结构包括晶格点221。所述二维晶格亚波长结构为布拉维晶格结构或准晶格结构，所述布拉维晶格为包括正方形或六角形，所述准晶格结构为八边形或十边形或十二边形。请参见图2，二维晶格阵列为抽象图，晶格点221为晶胞质心所在的位置，晶格常数λ为晶胞的边长，在图2中，可视为两个相邻晶格点221之间的距离。所述晶格点211为圆形、椭圆形、十字交叉形、六角形以及八角形中的一种。

本实施例中，薄膜光波导包括二氧化硅衬底1、2％锗掺杂二氧化硅的双层光波导介质薄膜21、二氧化钛薄膜材料夹层22、以及包覆双层光波导介质薄膜21和薄膜材料夹层22的二氧化硅包层。二氧化钛薄膜材料夹层22使用正方形布拉维晶格的二维晶格亚波长结构，晶格点221为圆形。薄膜光波导中的所述光波导介质薄膜21是主要的光波导结构，保证薄膜光波导的单模工作模式。薄膜材料夹层22中形成的二维晶格亚波长结构，可以被视为均匀介质的单模光波导结构。同时，通过调整二维晶格亚波长结构的晶格常数和占空比，可以得到相应的薄膜光波导的有效折射率。

在对薄膜光波导结构的设计中，本实施例以标量海姆霍兹公式作为指导，即：

其中ψ可为任何场分量，k0为真空波数，n为折射率，z方向为传播方向，x、y为横截面的竖直、平行方向。为得到此方程的解，可通过有效折射率法简化为:

其中f、g为模分布，neff为有效折射率，β为传播常数。通过此方法，可以计算得出光波导的传播常数和有效折射率。

现以本实施例所示薄膜光波导为例，入射光波长选择为1550nm，进行详细说明负热光系数材料二氧化钛制备的薄膜材料夹层22对薄膜光波导的有效热光系数的影响。

请参见图3，薄膜光波导的有效热光系数为有效折射率随温度的变化率，可由在不同温度下的有效折射率制备的曲线的斜率得到，图3中的热光系数补偿的薄膜光波导的有效热光系数为7.31×10^-6。

因二氧化钛薄膜材料夹层22的整体宽度(即薄膜光波导的宽度)对薄膜光波导有效热光系数的影响不大，在此不做探究。请参见图4，由不同厚度二氧化钛制备的薄膜光波导的有效热光系数随着二氧化钛的厚度的增加减小，并且有效热光系数保持在低于10^-5，由此可知负热光系数材料的有效热光系数与所述负热光系数材料的厚度负相关，薄膜光波导的有效热光系数大大降低并接近于0，从而薄膜光波导有效折射率随温度的变化大大降低。

本实施例利用二维晶格亚波长结构薄膜光波导的自身结构，将负热光系数材料制备薄膜材料夹层22，使双层光波导介质薄膜21的正热光系数补偿，薄膜光波导有效热光系数被大大降低至接近于0，薄膜光波导的热稳定性得到提高。

本发明还提供了一种用以制备上述薄膜光波导的制备方法，所述制备方法如下：

s1、提供硅基衬底1，具体为二氧化硅衬底1，在二氧化硅衬底1上使用等离子体增强化学气相沉积法(pecvd)将掺杂二氧化硅材料进行镀膜形成下层光波导介质薄膜，其中掺杂二氧化硅材料为2％锗掺杂二氧化硅；

s2、使用原子层沉积法(ald)将二氧化钛材料制备薄膜材料夹层22；

s3、将二氧化钛薄膜材料夹层通过纳米压印(nil)或电子束光刻技术(electronbeamlithography)或光学光刻技术(opticallithography)制备成所述二维晶格亚波长结构，其中，所述二维晶格亚波长结构包括晶格点221，所述晶格点221为圆形；

s4、使用等离子体增强化学气相沉积法(pecvd)将2％锗掺杂二氧化硅材料进行镀膜制备上层光波导介质薄膜，所述下层光波导介质薄膜和所述下层光波导介质薄膜形成所述双层光波导介质薄膜21；

s5、在双层光波导介质薄膜21和薄膜材料夹层22外圆周制备二氧化硅包层。

综上，本发明所提供的薄膜光波导的薄膜材料夹层为负热光系数材料，利用负热光系数材料对光波导介质薄膜进行热光系数补偿，故无需设置额外的负热光系数镀层，降低了工艺的复杂成度和成本，确保了均匀控温，简化了薄膜光波导的结构并保证了薄膜光波导的热稳定性能。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。