光波导基本结构

出处：sealove518 发布于：2008-12-02 14:50:36

　　平板光波导的利用面非常有限，因为它只能导引光波沿着一个固定的方向传播，这无疑限制了光波导的应用；实际长用的光波导结构为三维光波导，它能自由地将光波导引到任意想要的方向。目前在OEIC中常用的光波导结构包括矩形光波导和脊形光波导；其他光波导类型如金属包层光波导、扩散光波导、质子交换光波导等在光子或光电子集成回路中基本不用，所以本节着重叙述脊形和矩形两种光波导。

　　矩形光波导和脊形光波导的剖面如图1（a）、（b）所示。

　　我们来分析矩形光波导。由于矩形光波导的对称性，所以其偏振特性较好，模场对称性也好。设矩形光波导包层折射率为1.46，芯层折射率为3.5，矩形长宽均设为1，波长取λ0＝1.55 gm可以求解出基模的分布，如图2所示。可以看出，其模场对称性很好。

　　图1 矩形光波导和脊形光波导的截面图

　　但是矩形光波导较脊形光波导来说并不常用，其主要原因有两个：一是因为矩形光波导对光波导侧壁的光滑程度非常敏感，从图2可以看出，光场存在于上、下、左、右四个壁上，如果刻蚀导致侧壁比较粗糙，则光波导损耗加大；尤其是在小尺寸的光波导中，情况更为明显，因为此时侧壁处的光场能量还是比较大；而对于脊形光波导来说，光场绝大部分能量集中在平板区（如图4所示），受侧壁影响较小，所以与刻蚀工艺的相关性不大。二是因为有些光波导器件要求与光纤连接，我们知道，单模光纤的直径约为8～10 gm，而为了与光纤进行低损耗的耦合，光波导模场和光纤模场的重叠积分应越大越好，这就要求光波导的截面同光纤的截面相近；而这样大的尺寸如果做成矩形光波导，则无论对光刻、刻蚀还是上包层的覆盖，都是一个难度很大的问题，而脊形光波导却可以部分地解决这个问题。因为脊形光波导可以通过刻蚀较小的深度来获得较大的模场尺寸。但是随着光刻刻蚀的提高和某些使得光波导壁光滑的工艺的引进，矩形光波导在光电子集成回路中的研究还是很热，因为它的尺寸可以做得更小。

　　无论是在大截面还是小截面的光波导器件中，脊形光波导的应用都较为广泛。与矩形光波导相比，其优点在前面已经说明，其缺点是它的偏振特性较矩形光波导差；另外，还有一个缺点可以通过脊形光波导的有效折射率求解其单模条件来说明。

　　对于SOl脊形光波导的单模条件问题，分为大截面和小截面两种情况，而这两种情况并没有明确的分界线，还和所取材料的相对折射率差等参数有关。以下讨论的情况限于光波导上包层为空气的情况，其余情况可用更的模拟软件进行模拟。对于大截面情况，Soref等人［4］在Petermann［4］提出的模匹配技术的基础上用数学拟合的方法得出了脊形光波导在单模工作时，W，H，尼三者应该满足条件式（4－85），光波导结构如图3所示。

　　图2 矩形光波导TB模分布

　　图3 脊形光波导结构

　　式中，如果r>0.5，则保证了y方向的单模特性。当光波导满足这个条件时，内脊区中高阶模在y方向上的有效折射率就会小于外脊区基模的有效折射率，这样内脊区中垂直方向的高阶模就会泄漏出光波导区，转化为外脊区的基模。这里需要注意一下，内脊区的高阶模泄漏到外脊区是需要一个过程的，时间的长短与外脊区基模有效折射率与内脊区高阶模有效折射率之差来决定，相差越大，逃逸速度越快；反之相差越小，逃逸速度越慢；Reed等人利用数值模拟的方法对H＝1～1.5pm的SOl脊形光波导的单模特性进行分析，给出了单模弱偏振脊形光波导的拟合条件：

　　式中，0.3<r<0.5,保证y方向单模特性和弱偏振的条件。偏振特性与光波导截面大小很有关系，这是因为当光波导截面较大时，光波导边缘功率能量较小，绝大部分光场能量限制在芯层区，无论是对TE模还是TM模来说，光波导边缘对光场影响较小，所以两者无大差别；而当光波导截面较小时，模场相当一部分能量存在于光波导边缘，也就是说光波导边缘的特性对光场有较大影响，而TE模和TM模的电场矢量对应于不同的边缘，所以二者所受影响不同，这就产生了偏振相关特性。式（4－86）的0.3<r<0.5的条件是针对弱偏振提出的，而当r>0.5时，单模条件依然成立，只是模场的偏振相关性会较强。

　　下面简要分析一下脊形光波导截面尺寸差异导致单模条件差异的原因。

　　事实上，脊形光波导在y方向上的单模条件不仅与r有关，还与光波导的宽度有关，可以设想一下极限情况，如光波导宽度减为零，则不可能有模式在其中传播；而对于大截面脊形光波导，宽度对单模特性影响较小，所以有r>0.5的条件；而对于小截面脊形光波导，宽度对单模特性影响就比较大了，此时即使在r<0.5时也可能由于光波导宽度较小而抑制高阶模，所以小截面脊形光波导的r取值范围更宽。

　　另外，还有一点需要注意，上面讨论的单模条件都是针对上包层为空气所确定的，对于其他包层材料还应具体问题具体分析，利用更的模拟软件进行模拟。

　　下面给出SOl脊形光波导的实例。取脊宽4μm，内脊高6μm，外脊高4μm，上包层为二氧化硅。光波导基模如图4所示。