CN108919420A - 一种应用于中红外波段的硫系波导结构 - Google Patents
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Abstract
一种应用于中红外波段的硫系波导结构，其特征在于：包括衬底，缓冲层，低折射率层和光传输层，所述缓冲层位于衬底上，所述低折射率层位于所述缓冲层上，所述光传输层位于所述低折射率层上，所述低折射率层和光传输层为硫化物玻璃制备的硫化物薄膜层，所述缓冲层的折射率小于所述低折射率层的折射率，所述低折射率层的折射率小于所述光传输层的折射率。本发明的优点在于使用该波导结构使用多种硫系材料来制备不同折射率的硫系薄膜，从而通过改变两层薄膜的材料来调节波导的折射率范围。另外通过调节两层薄膜的尺寸，使波导满足单模条件，避免了模式泄露，从而获得尽可能小的传输损耗，使得该硫系波导结构在中红外波段有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种波导结构，特别是涉及一种硫系波导结构。
背景技术
波导是指一种在微波或光波段中传输电磁波的装置，用于无线电通讯、雷达、导航等领域。
硫系玻璃是由元素周期表中第VIA族的S、Se、Te三种元素与其它如有Ge、Ga、As、Sb等金属元素形成的一种红外透明玻璃(红外透过范围可至20微米)。硫系玻璃还具有高折射率，高稀土掺杂能力，极大的光学非线性和光敏特性，这些特点使硫系玻璃光波导成为集成光子领域重要的发展方向。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供了一种能够扩大波导的折射率调节范围，并且在中红外波段有广阔应用前景的硫系波导结构。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种应用于中红外波段的硫系波导结构，其特征在于：包括衬底，缓冲层，低折射率层和光传输层，所述缓冲层位于衬底上，所述低折射率层位于所述缓冲层上，所述光传输层位于所述低折射率层上，所述低折射率层和光传输层为硫化物玻璃制备的硫化物薄膜层，所述缓冲层的折射率小于所述低折射率层的折射率，所述低折射率层的折射率小于所述光传输层的折射率。
优选的，所述低折射率层的折射率范围为2-2.2，该光传输层的折射率在2.4以上
优选的，所述衬底的宽度为15μm-20μm，厚度为2500nm；所述缓冲层的宽度为15μm-20μm，厚度为2500nm；所述低折射率层的宽度为5μm-10μm，厚度为800nm-1000nm；所述光传输层的宽度为5μm-10μm，厚度为500nm-600nm。
优选的，所述低折射率层和光传输层的材料为硫化锗玻璃，硫化砷玻璃、硒化砷玻璃、锗锑硒玻璃，锗锑硫玻璃或硒化锑玻璃。
优选的，所述衬底为集成光子学的常用衬底，所述缓冲层的材料包括各种比硫化物玻璃折射率低的光学透明材料。
与现有技术相比，本发明的优点在于使用该波导结构使用多种硫系材料来制备不同折射率的硫系薄膜，从而通过改变两层薄膜的材料来调节波导的折射率范围。另外通过调节两层薄膜的尺寸，使波导满足单模条件，避免了模式泄露，从而获得尽可能小的传输损耗，使得该硫系波导结构在中红外波段有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例的波导的结构示意图。
图2是本发明实施例所用到的硫系材料的透过率图。
图3是本发明实施例一中的波导的仿真的模式图，其中波导中传输的波长为4.8μm，H1＝0.8μm，H2＝1.5μm，W1＝W2＝10μm。
图4是本发明实施例一中的波导的仿真的模式图，其中波导中传输的波长为4.8μm，H1＝0.8μm,H2＝1.5μm，W1＝W2＝20μm。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
本发明实施例提供了一种波导，参见图1，该波导包括衬底101，缓冲层102，低折射率层103和光传输层104。所述缓冲层102位于衬底101上，所述低折射率层103位于所述缓冲层102上，所述低折射率层103和光传输层104均是由硫化物玻璃制备的硫化物薄膜层，所述光传输层104位于所述低折射率层103上。所述缓冲层102的折射率小于所述低折射率层103的折射率，所述低折射率层103的折射率小于所述光传输层104的折射率，所述低折射率层103的折射率范围为2-2.2，该光传输层104的折射率在2.4以上。
并且如图1所示，该低折射率层103的宽度为W2，厚度为H2，该光传输层104的宽度为W1，厚度为H1。该衬底101的宽度为15μm-20μm，厚度为2500nm；所述缓冲层102的宽度为15μm-20μm，厚度为2500nm；所述低折射率层的宽度W2为5μm-10μm，厚度H2为800nm-1000nm；所述光传输层104的宽度W1为5μm-10μm，厚度H1为500nm-600nm。
其中，所述波导结构的形状为条状或脊状等。在一种实施方式中，所述衬底101的材料为集成光子学的常用衬底，例如硅等。所述缓冲层102的材料包括各种比硫化物玻璃折射率低的光学透明材料，如二氧化硅、氮化硅等。所述低折射率层103和光传输层104由光学透明硫化物玻璃材料制成，如硫化锗玻璃，硫化砷玻璃、硒化砷玻璃、锗锑硒玻璃，锗锑硫玻璃或硒化锑玻璃等。
如图2所示的为本发明的波导结构中可以使用的材料的透过率示意图，其中材料包括二氧化硅，硅，硫化砷，硒化砷，锗锑硒、锗锑硫。本发明的波导结构，采用低折射率硫系玻璃代替在中红外波段不透光的传统SiO2牺牲层材料和CaF2、MgF2等中红外键合晶片材料，硫系玻璃的非晶结构特性使其可以单片集成于几乎任何基底而无须考虑晶格匹配问题，并可与硅基材料和传统CMOS工艺兼容，因此硫系玻璃可以与衬底高度贴合而不用考虑晶键的影响，并且采用折射率不同的琉系材料制备两层硫系薄膜，可以根据硫系材料调整所需要的波导层有效折射率，通过有效折射率的变化增强波导结构对入射光能的束缚作用，提高波导结构设计的灵活性，拓展在中红外传感领域的应用。
并且如图3所示，为该实施例的波导结构在仿真软件中进行仿真的示意图，其中传输光的波长为4.8μm，H1＝0.8μm，H2＝1.5μm，W1＝W2＝10μm。
图3中，X和Y代表的是波导的尺寸，单位是微米(μm)，从图3中可以看出波导结构大致的高度和宽度。
图4为该实施例的波导结构在仿真软件中进行仿真的示意图，其中传输光的波长为4.8μm，H1＝0.8μm,H2＝1.5μm，W1＝W2＝20μm。X和Y代表的是波导的尺寸，单位是微米(μm)，从图4中可以看出波导结构的大致高度和宽度。
如下表所示，为不同尺寸结构的波导结构仿真结果的损耗的列表。
| H1(μm) | H2(μm) | W1(μm) | W2(μm) | Los(dB/cm) |
| 0.8 | 1.5 | 20 | 20 | 0.01585 |
| 0.8 | 1 | 20 | 20 | 0.0163 |
| 0.8 | 1 | 10 | 10 | 0.054315 |
| 0.8 | 0.8 | 20 | 20 | 0.089754 |
| 0.8 | 0.8 | 10 | 10 | 0.09124 |
| 0.8 | 0.8 | 5 | 5 | 0.10902 |
| 0.6 | 1 | 10 | 10 | 0.24370 |
| 0.6 | 0.8 | 10 | 10 | 0.39367 |
| 0.6 | 0.8 | 5 | 5 | 0.47351 |
| 0.6 | 0.6 | 5 | 5 | 0.81696 |
| 0.5 | 0.6 | 5 | 5 | 1.8411 |
| 0.5 | 0.7 | 5 | 5 | 1.3988 |
实施例2：
该实施例提供了另一种波导，其中衬底101的材料为硅，缓冲层102采用二氧化硅，厚度2.5μm，低折射率层103为硫化锗玻璃材料，厚度为800nm-1000nm,宽度为5μm-10μm，光传输层104采用锗锑硒材料，厚度为500nm-600nm,宽度为5μm-10μm。
通过本发明实施例提供的一种波导结构，单晶硅衬底层上先有一层二氧化硅作为缓冲层，在缓冲层上有低折射率硫系薄膜，如GeSbS、GeS等作为牺牲层，即低折射率层，在牺牲层上再镀高折射率硫系薄膜，如GeSbSe作为波导传输层。采用低折射率硫系玻璃代替在中红外不透光的传统SiO2牺牲层材料和CaF2、MgF2等中红外键合晶片材料，是因为现阶段中红外光子器件的实现很大程度上依赖于利用晶片键合技术将晶态基质材料粘附到中红外透明基底上，这种方式不仅极大地增加了器件的加工复杂度，而且不利于器件的大规模集成，而硫系玻璃的非晶结构特性使其可以单片集成于几乎任何基底而无须考虑晶格匹配问题，并可与硅基材料和传统CMOS工艺兼容。
同时因为其优良的化学稳定性使其可与其它元素形成化学计量或非化学计量组成的玻璃，以及灵活的组分配比使其具有电光性能连续可调的优势，因此可以使用多种硫系材料来制备不同折射率的硫系薄膜，从而通过改变两层薄膜的材料来调节波导的折射率范围。另外通过调节两层薄膜的尺寸，使波导满足单模条件，避免了模式泄露，从而获得尽可能小的传输损耗，使得该硫系波导结构在中红外波段有广阔的应用前景。
Claims (5)
1.一种应用于中红外波段的硫系波导结构，其特征在于：包括衬底(101)，缓冲层(102)，低折射率层(103)和光传输层(104)，所述缓冲层(102)位于衬底(101)上，所述低折射率层(103)位于所述缓冲层(102)上，所述光传输层(104)位于所述低折射率层(103)上，所述低折射率层(103)和光传输层(104)均为硫化物玻璃制备的硫化物薄膜层，所述缓冲层(102)的折射率小于所述低折射率层(103)的折射率，所述低折射率层(103)的折射率小于所述光传输层(104)的折射率。
2.如权利要求1所述的应用于中红外波段的硫系波导结构，其特征在于：所述低折射率层(103)的折射率范围为2-2.2，该光传输层(104)的折射率在2.4以上
3.如权利要求1或2所述的应用于中红外波段的硫系波导结构，其特征在于：所述衬底(101)的宽度为15μm-20μm，厚度为2500nm；所述缓冲层(102)的宽度为15μm-20μm，厚度为2500nm；所述低折射率层(103)的宽度为5μm-10μm，厚度为800nm-1000nm；所述光传输层(104)的宽度为5μm-10μm，厚度为500nm-600nm。
4.如权利要求1所述的应用于中红外波段的硫系波导结构，其特征在于：所述低折射率层(103)和光传输层(104)的材料为硫化锗玻璃，硫化砷玻璃、硒化砷玻璃、锗锑硒玻璃，锗锑硫玻璃或硒化锑玻璃。
5.如权利要求1所述的应用于中红外波段的硫系波导结构，其特征在于：所述衬底(101)为集成光子学的常用衬底，所述缓冲层(102)的材料包括各种比硫化物玻璃折射率低的光学透明材料。
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