（凝聚态物理专业论文）硅基光波导器件.pdf

3 6 毒9 5 6 硅基光波导器件 塑塑系筮塞查专业 学生姓名迹l 导师姓名王垫导师职称塑援 摘要 硅基光波导作为硅基光集成的基本组成部分，其性能对整个集成光路的性能 有非常重要的影响。这里，我们提出了两种新的波导结构，并对这两种结构的波 导进行了传输特性分析。 1 对传统的锗硅波导的结构进行了改进，提出了渐变折射率波导结构。对 于这样一种结构，光将被束缚在远离界面的区域传播，因而在界面处的 散射损耗将减小，从而将减小整个波导的损耗。我们对这种波导结构， 利用多层逼近和有效折射率法进行了模式分析，给出了模折射率随各波 导参数的变化曲线；给出了波导参数的优化设计方法，并讨论了和光纤 的匹配问题：对光在波导中的分布进行了研究，并以此对其传输损耗进 、 行了估计。十7 、 2 提出了一种全新的折射率反转型光波导，光在折射率较小的芯层中传播， 依靠光在两种折射率差很大的介质界面上掠入射时很大的反射率来完成 光的约束。我们采用线光学近似估计了这种波导结构的波导传输损耗， 并利用时域有限差分法进行了光在波导中传输行为的数值模拟，发现这 种波导有良好的单模特性，较小的传输损耗。我们还制作了这种结构的 波导，并对样品进行了测试，在实验中，我们观察到这种波导结构有相 当良好的传输特性。厂一丫 关键词：硅基光波导，时域有限差分法。 分类号：t n 2 5 2 a b s t r a c t s i b a s e dl i g h tw a v e g u i d ei so n eo ft h eb a s i cp a r t so ft h ei n t e g r a t e do p t i c sa n d o p t o - e l e c t r o n i c s i t sp e r f o r m a n c ew i l lg r e a t l ya f f e c t t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ew h o l e d e v i c e i nt h i sw o r k ，t w on e ws t r u c t u r e so fs i b a s e dw a v e g u i d ea r ep r o p o s e d t h e p r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f t h ew a v e g u i d e sa r es t u d i e d 1 t oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h es i g ew a v e g u i d e ，an e ws t r u c t u r ew i t h g r a d u a lg e r m a n i u mc o n t e n td i s t r i b u t i o n i sp r o p o s e d i ns u c hs t r u c t u r e ，t h e l i g h ti sc o n f i n e df a ra w a yf r o mt h ei n t e r f a c e ，s ot h ep r o p a g a t i o nl o s sw i l lb e r e d u c e dd u et ot h el o wi n t e r f a c es c a t t e r i n g w i t hm u l t i l a y e ra p p r o x i m a t i o n a n de q u i v a l e n tr e f r a c t i v ei n d e xa p p r o x i m a t i o n ，t h em o d ea n a l y s i si sd o n e a m e t h o do fo p t i m i z i n gm ew a v e g u i d ep a r a m e t e r si s s u g g e s t e d t h e f i l e d i n t e n s i t yd i s t r i b u t i o no f t h el i g h ti nt h ew a v e g u i d ei sa l s oo b t a i n e d ，a n dt h e p r o p a g a t i o n l o s s c o m p a r e d w i t ht h a to ft h en o r m a ls i g ew a v e g u i d ei s e s t i m a t e d 2 an e w p l a n a rl i g h tw a v e g u i d ew i t h r e v e r s er e f r a c t i v ei n d e xi sp r o p o s e dt h e l i g h ti sc o n f i n e dw i t h i nt h es i 0 2l a y e r , w h i c hi ss a n d w i c h e db e t w e e nt h es i s u b s t r a t ea n da p o l y - s ic a pl a y e r ，t h ep r o p a g a t i o nl o s so f s u c hw a v e g u i d ei s e s t i m a t e dw i t h r a y o p t i ca p p r o a c h t h e f i n i t e d i f f e r e n c et i m e d o m a i n m e t h o di su s e dt os i m u l a t i o nt h ed e t a i lb e h a v i o ro ft h el i g h tp r o p a g a t i o ni n t h ew a v e g u i d e i nt h et h e o r e t i c a la n a l y s i s ，w e l l s i n g l em o d ec h a r a c t e ra n d r e l a t i v e l yl o wp r o p a g a t i o nl o s sa r ef o u n d s u c hs t r u c t u r ei s f a b r i c a t e dw i t h s t a n d a r ds i t e c h n o l o g ya n di s m e a s u r e dw i t hb u t tc o u p l e dm e t h o d i nt h e e x p e r i m e n t s ，a l s og o o dp r o p a g a t i o n c h a r a c t e r i s t i c sa r ef o u n di ns u c h w a v e g u i d e s t r u c t u r e k e y w o r d s ：s i b a s e dw a v e g u i d e ，f d - t d 1 1 光子器件概述 第一章引言 在现在这样一个信息时代中，信息的传输、存储和处理在整个社会生活中 起着至关重要的作用。而光子技术作为继微电子技术之后最重要的信息技术， 它的发展对现在的信息产业的发展有着极大的推动作用。光纤通讯以其高速大 容量的优势，已成为远程信息传输的主要途径；而光存储作为大容量信息存储 的重要手段之一，其在信息存储领域的重要性不言而喻；光逻辑器件及光计算 机，虽然还处于研究阶段，但从目前的情况来看，有可能成为将来最有希望的 超高速信息处理技术。所以说，光子技术对信息产业乃至整个社会而言，其影 响都将是极其深远的。而在光子技术中，各种光子器件是基本的组成部分，因 而器件特性的研究与改进也就成为光子技术中一个最重要的问题。 硅基平面波导结构是硅基光电集成中最普遍与最基本的结构，对它已开展了 广泛的研究工作。从8 0 年代中期开始，各种不同结构的硅基平面光波导陆续被 提了出来，例如在低阻单晶硅上外延生长高阻层形成的n n + 或p p + 型平面光波 导；在硅f 形成二氧化硅埋层后再生长波导层的s i m o x ( s e p a r a t i o nb yi m p l a n t e d o x y g e n ) 型波导：在硅上外延生长锗硅层的锗硅异质结构光波导。各种不同的波 导都有它的特点和优势，但也或多或少的存在一些问题与缺点。n n + 或p p + 型平 面光波导虽然制作简单，但过大的传输损耗使它很难得到实际的应用：s i m o x ，氆波导则由于其过大的数值孔径和较小的截面，使它与光纤很难良好的耦合； s i g e 则【士| 于与典型的硅平面工艺不兼容使它的制作不是很容易，从而限制了它 的应用。因而，对已有波导结构的改进和新型波导结构的研究就显得相当重要。 1 2 本文的主要内容及其安排 为了狭得性能优良的硅基平面波导，我们提出了两种新的波导结构，研究 了这两种波导的传输特性，并给出了模式分析和参数的优化设计。在波导的研 究过程中，我们采用了计算机模拟的数值实验，其主要方法为时域有限差分法 ( f d t d ) 。同时，我们也制作了其中一种结构的波导，利用红外测试平台对其进 行了传输特性的测试。 论文各章的安排如下： 第二章介绍了我们使用的几种主要计算方法。 第三章主要介绍渐变折射率s i g e 脊型光波导，包括它的结构、模式分析及 参数设计。 第四章主要从计算和实验两方面研究了折射率反转型平面光波导。 2 1 传输矩阵法 第二章计算方法 传输矩阵法是一种经典的光学计算方法，它通过建立各点场分量的矩阵关 联来进行计算。它是一种频域的计算方法，在处理稳态问题，特别是结构较为 简单的对象时，具有速度快，精度高的优点。k o h m o t o 等人提出的归一化传 输矩阵方法，是针对多层膜的一种非常有效的计算方法，在多种一维周期性和 准周期性结构中得到了广泛的应用。 为了研究有损耗的系统，我们对这种归一化传输矩阵进行了改进。如果我 们将每点的场分量用两个独立变量来描述： e + = e ，+ e 6 ，e 一= ( e ，一e ) i ，( 21 ) 其中历、e 分别为前向和后向传播的波的场分量。那么，在一个有损耗的均匀 介质中，在一维情况下，a 、b 两点的场强关系可由下式表述： 阻= 瞄等 其中，k 为波在此种介质中的圆波矢，乙是波在此种介质中的衰减长度，d 是两 点问的距离。在两种介质交界处，界面两侧a 、b 两种介质中的场强关系为： 主! 。= j 门。? 押。 ：! 。， 其中， ，分别为a 、b 两种介质的折射率。 n ：+ 维系统下任意两点波的场分量的相互关系， 的所有信息。 2 2 时域有限差分法 f 23 ) 由以上两式，我们就可以得到 从而获得波在整个系统中传播 一 d一d一0 咖 曲 两 时域有限差分法，是一种求解电磁场问题的数值计算方法，它通过对 m a x w e l l 旋度方程在空间和时间四个维度上进行差分化，将其转换为差分方程 进行计算。在1 9 6 6 年y e e 第一次提出之后”1 ，时域有限差分法经过很多改进之 后，已成为一种相当成熟的电磁场数值计算方法，在很多电磁问题上得到了广 泛的应用。 时域有限差分法作为一种电磁场的数值计算方法，具有以下两个突出的优 点 1 直接时域计算。时域有限差分法直接把含时间变量的m a x w e l l 旋度方程 在网格空间转换成差分方程，在每一时间步计算网格空间各点的场分 量，随时间步的推进，即能赢接模拟电磁波的传播及其与物体的相互作 用。它将各类问题都作为初值问题来处理，使电磁波的时域特性被直接 反映出来，所以它能直接给出非常丰富的电磁场问题的时域信息，使很 多复杂的物理过程都能得到清晰的物理图像。 2 具有很强的通用性。由于时域有限差分法是基于表示电磁场普遍规律的 m a x w e l l 方程，对其直接差分化进行计算，因而具有极强的通用性，适 于解决各类电磁场问题。同时，由于被研究对象的电磁学特征参量是按 空间网格给出的，因而可以很方便的模拟各种复杂结构的研究对象。 222 网格的划分 在时域有限差分法的计算中，网格的划分将直接影响到计算的精度、稳定 性和计算效率。为了减小数值色散，一般我们将网格的空阳j 步长取为1 2 0 波长 或更小，这样，由空间网格引起的数值误差可保证小于o 5 。为了使计算过程 在计算中是数值稳定的，时间步长，必须满足v a t 区域 是 输出整个区域各网格点的计算值 图1 1 时域有限差分法计算流程图 9 参考文献： 1 】mk o h m o t o b s u t h e r l a n d ，a n dkl g u c h i ，l o c a l i z a t i o ni no p t i c s ：q u a s i p e r i o d i c m e d i a p w 月n ，l e t t19 8 7 5 8 ：p p2 4 3 7 1 2 j ks y e e n u m e r i c a ls o l u t i o no fi n i t i a l b o u n d a r yv a l u ep r o b l e m si n v o v l i n g m a x w e l l se q u a t i o ni ni s o t r o p i cm e d i a1 e e et r a n sa n t e n n a sp r o p a g a t ，19 6 6 ， a p - 1 4 ：p p3 0 2 3 0 7 【3 a t a f l o v e a n dm e b r o d w i n ，n u m e r i c a ls o l u t i o no f s t e a d y s t a t e e l e c t r o m a g n e t i cs c a t t e r i n gp r o b l e m su s i n g t h e t i m e d e p e n d e n t m a x w e l l s e q u a t i o n s i e e et r a m m i c r o w a v et h e o r yt e c h ，1 9 7 5 ，m t t 一2 3 ：p p 6 2 3 6 3 0 4 jb e n g q u i s ta n da m a j d a ，a b s o r b i n gb o u n d a r yc o n d i t i o n sf o r t h en u m e r i c a l s i m u l a t i o no fw a v e s m a t h e m a t i c so f t h ec o m p u t a t u i o n ，1 9 7 7 ，3 1 ：p p 6 2 9 6 5 1 【5 gm u r ，t h em o d e l i n go fs i n g u l a r i t i e si nt h ef i n i t e d i f f e r e n c ea p p r o x i m a t i o no f t h et i m e d o m a i ne l e c t r o m a g n e t i c f i e l de q u a t i o n s 1 e e et r a mm i c r o w a v et h e o r y t e c h 1 9 8 j m t t - 2 9 ：p p 1 0 7 3 1 0 7 7 【6 1 gm u r ，a b s o r b i n gb o u n d a r yc o n d i t i o n sf o rt h ef i n i t e d i f f e r e n c ea p p r o x i m a t i o n o ft h et i m e d o m a i n e l e c t r o m a g n e t i c f i e l de q u a t i o n s i e e et r a n s e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t ，1 9 8 1 ，e m c 2 3 ：p p 3 7 7 3 8 2 【7 】r j l u e b b e r s ，f p h u n s b e r g e r ，a n dk s k u n z ，af r e q u e n c yd e p e n d e n tf i n i t e d i f f e r e n c et i m e d o m a i nf o r m u l a t i o nf o r d i s p e r s i v e m a t e r i a l s 1 e e et r a n s e l e c t r o m a g nc o m p a t ，1 9 9 0 ，e m c - 3 2 ：p p 2 2 2 - 2 2 7 【8 】r j l u e b b e r sa n df p h u n s b e r g e r ，f d t df o rn t h o r d e rd i s p e r s i v em e d i a i e e et r a m a n t e n n a s a n d p r o p a g a t 。1 9 9 2 ，4 0 ：p p1 2 9 7 1 3 0 1 0 、 3 1 引言 第三章s i g e 渐变折射率波导 初期的s i 光波导是通过在低阻的s i 单晶片上外延生长高阻层的方法制成 n n + ( p p + ) 结构的全s j 脊形光波导。这种波导由于衬底n + 或p + 层高载 流了浓度吸收光能量使其传输损耗过大而无实用价值。改进了的s i m o x ( s e p a r a t i o nb yi m p l a n t e do x y g e n ) s i 光波导是在s i 表面下形成s i 0 2 埋层 后再外延生长波导层，排除了衬底载流子引起的吸收损耗，使光波导的传输损 耗接近于实用值心】【。但出现新的问题：如果要制备单模平板波导，波导层厚 度只能是0 2 o 3 m ，和单模光纤的芯径严重失配。 随着s i g e 材料在研制异质结晶体管( h b t ) 方面的成功，以及s i g e 材料随 g e 组份可调而显示出的许多优越性能，9 0 年代初，人们开始进行s i g e s i 结构 的光波导和其它光集成器件的研究，相继报道了一些研究结果 6 - 1 3 3 。用 s i g e s i 异质结构制作光波导具有其它材料无法替代的优势。由于s i 的折射率 为3 5 ，g e 的折射率为4 3 ，s i g e 合金材料的折射率可在它们之间通过g e 含量 来调节。所以，用它制作光波导，可通过调节g e 含量很容易使其数值孔径满足 与单模光纤的数值孔径相匹配的要求。同时作为波导层的s i g e 合金是生长在高 阻的s i 衬底上，大大降低了高载流子浓度引起的吸收损耗，使其传输损耗达到 了小于ld b c m 的实用值范围 7r “ 。 目前研制的s i g e 合金光波导，不仅保留了n n + ( p p + ) 光波导和s i m o x 光波导的优点，而且克服了s i m o x 光波导数值孔径过大的缺点。这种s i g e 合金 光波导已具备光集成技术所要求的特性：传输损耗小于1d b c m ：大断面，波 导的脊高和脊宽均与单模光纤芯径相当：单模光波导；数值孔径在光波导的输 入和输出端都能与光纤的芯径匹配。然而，随着光集成的发展，要求作为光导 引的波导器件有更低的传输损耗，为了满足这一要求，有必要对s i g e 合金光波 导进行进一步的改进。 对于现在的低损耗s i g e 光波导( 0 5 d b c m 左右) 而言，其传输损耗主要由导 波层( 芯层) 与衬底之问界面的界面散射引起，而要通过改善界面的方法来减 少这种散射，在1 二艺尚未取得突破以前已很难有较大的进展。而将光场尽量约 束袖远离界面的区域的方法，也能减少界面散射的影响从而降低传输损耗。在 这单，我们提出用折射率呈三角形分布的渐变折射率s i g e 光波导来实现这种约 束，对这种形式的波导作了模式分析和参数设计，并对其传输损耗与均匀型波 导作了比较。 3 2 波导的结构 s i g e 合金的折射率可以通过调节g e 组分来改变，g e 组分越大折射率也 越大，因而，当g e 的组分在波导厚度h 的范围连续变化时，折射率也随之连 续变化。如果我们使g e 的组分沿厚度方向呈中间高两边低的分布，相应的， 折射率的分布也是中心高，两边低，那么就有可能使在其中传播的光被限制在 中心附近。从线光学近似的角度看，此时光将沿一种连续的“弧形光线轨迹” 传播，如图3 1 中的类正弦曲线所示，而不是象折射率均匀波导中沿折线方式 传播。从图3 1 可以看到在折射率渐变的波导中光线被限制在中心附近，从而 离开了散射损耗较大的边界区域。 均匀型 渐变 空气 s i 衬底 图3 1 光在均匀型和渐变型波导中传播的示意图 琏j i 以上思想，我们提出了以f 的s i g e 光波导结构。在硅衬底上外延生长 j 2 - ( 沁组分沿厚度方向为对称三角形分布的s i g e 合金层，再在外延层上刻蚀出 脊形波导结构，其具体结构如图3 2 所示。在图中，h 为内脊高，d 为刻蚀深度， w 为脊宽，x 0 为g e 峰值浓度，0 为脊内侧倾角。与通常的s i g e 脊形光波导不 的是，此时在s j g e 合金层中g e 的组分不再是恒定的，而是随高度z 变化， c 。浓度分布为x c z ，= x 。( ，一i 鲁一i 。在完全应变的情况下，s i e e 合金的折射 率与g e 浓度x 的关系为鬲= 硫+ o 1 8 x ，这里瓦，是s i 的折射率，因而此时 的折射率分布为 再c z ，= 瓦+ o 1 8 x o ( 一i ；一i c s ， ( a ) y 图3 2 波导结构示意图 ( b ) 3 3 波导的模式分析 对于这种形式的波导，要用解析的方法进行严格的模式分析是一i 州能的， 吲而这甲我们通过分层逼近并利用有效折射率法近似地加以数值分析。我们划 波导的梯形截面作如图3 3 所示分割。 图3 3 等效网格划分示意图 在划分出的网格中，我们先将每一列作为脊高方向上的多层平板波导进行 模式分析。在分析过程中，对e 模，应作t e 模的模式分析，而e 。模则应作t m 模的分析。对多层平板波导的分析，我们采用由多层薄膜的传输矩阵得到模式 奉征方程： 哗a 。一毋一兰蝉( ，。+ 1 2 5 - d 。；0 ( 32 ) y iy t y *y 其中，k 。为光在真空中的波矢，系数a 。，b 。，c 。，d 。由多层传输矩阵定义 a kb k 。 f ( d ，) 和y ，y ，+ 由下式定义 f ( d ，) = b 瓦 n ，时 f ( d ，) = c 。s y ，d 。一盥s i n y ，d 惫s i n 川， c o s y , d c o s h y j d ( 33 ) ，y ，= 女。瓦2 一。2 ( 34 ) 埠s i n h y 恚s i n n ， c 。s h ，y ：k o 扛i ( 35 ) f ，的定义为对于t e 模，f ，= 1 ；对于t m 模，= 嗣2 ，嗣为每层中的折射； ： d ，为每层的层厚，。为m 阶模的模折射率。 以上各式给出了关于模折射率。的模式本征方程，再用搜零的方式由i 1 算机求解上述模式本征方程，得到各模对应的模折射率| v ，。在搜零过程中，采 用由r u s c h i n 等人提出川，由“和l i t 进一步发展的模计数法则m 1 进行控制。 在得到了模折射率| 。之后，将此模折射率作为这一列的有效折射率，再将每 列看作一层，作脊宽方向上的多层平板波导分析，分析的方法与前面相同，j l 是对模应作t m 模的模式分析，而e 1 模应作t e 模的模式分析，就nj _ 以得毋 整个波导的模折射率。( m ，n 分别为脊高和脊宽方向模的阶数) 。由模折射半 就”j 以得到模传播常数= n 。k 。和相应的有效数值孔径 n a = m 。、2 一n 。2 ( 为波导中心处的折射率) 等重要参数。 图3 4 ( a ) 和( b ) 是1 3u m 波长时不同厚度、不同g e 峰值浓度下脊高方向内 脊部分单列平板波导( 图3 3 中i 区) 最低阶的两个t e 模和t m 模的模折射率 e z 图4 4 ( a ) 不同厚度下t e 模的模折射率随最高锗组份的变化。 x o ( ) 图4 4 ( b ) 不同厚度ft m 模的模折射率随最高锗组份的变化。 6 每根曲线对应于特定内脊高h 时一个模式的模折射率随g e 峰值浓度的变化。 若在某个高h 时对某一g e 峰值浓度有两个模折射率，则此时波导工作在多 模区，若只能找到一个，则为单模工作，若一个都找不到，则为截止区。例如 红= 8 ，h = 3 a m ，则从图3 4 ( a ) 中看至有两个对应的t e 模，而h = 25 a me r , j _ r a t j l 有个t f 模。从图中可以看到不管是t e 模还是t m 模在1 5 , u m 4 1 m 告1 5 仃 在，个单模区域，因而可选这一区域做成单模波导。同时，同一高度下t m 阶模截止时对应的峰值浓度低于t e 一阶模截止时的浓度，因而也可用件t e 模式滤波器。图3 5 是在内脊高h = 2 o n ，g e 峰值浓度x 。= 7 时不同脊宽时模折 射率随刻蚀深度d 的变化图，其单模区、多模区的? - q g f j 方法和前面的类似，若 一个宽w 和刻蚀深度h 只有一个模折射率与之对应，则为单模工作，若有两个 则为多模工作。 df g i n ) t n4 52 t m 厚的波导的模折射率相应不同脊宽时随刻蚀深度的变化 3 4 波导参数的设计 为了使这种形式的波导有良好的单模特性，并与单模光纤耦合良好，我们 需要选择组适当的结构参数和g e 峰值浓度。从图3 2 我们可以看到共有血 个参数待定，分别为内脊高h 、脊宽w 、刻蚀深度d 、g e 峰值浓度及脊内侧 倾角0 。但脊内侧倾角0 在刻蚀条件一定时已经确定，因而可选择的参数只有 p q 个。其中h 和矗主要对波导的脊高方向的单模特性产生影响，二者还受到s i g e 戍变层临界厚度的限制。用g e 的平均组分通过均匀s i g e 合金的临界厚度的数 据可知，图34 中所列厚度在单模区均小于临界厚度，因而可保持完全应变。w 和d 则主要对脊宽方向的单模特性产生影响，h 和w 还决定了波导截面是否与 光纤匹配，而这四者共同决定的波导有效数值孔径n a 也应与光纤匹配。因而 在设计时，主要应依以上几个方面来进行设计。 具体的设计步骤为：先由光纤截面的匹配要求初步确定h 和w ；再根据脊 高方向的单模要求，利用图3 4 得到在所选高度h 下只存在一阶导模的g e 峰值 浓度的范围，初步选定一个x 。；然后在已定h 和z 。的情况下作类似图3 5 的模 折射率图，并由图得已选的i k 下只存在一阶导模的区域，而根据单模光纤的数 值孔径的匹配要求，以及已定的。由数值孔径定义n a = 瓦。s i n ，又 c o s = 。亓一，则可确定模折射率。2 ( # s , + o 1 8 x o ) c 。5 瓦了? 丽c a 。 若此模折射率在单模区域，则由图读出此时的刻蚀深度d ，则已选h ，w ，d 即 为一组合适的参数：若不在单模区，则可在的单模范围内稍调整x 。，原则是 ? ：模折射率在单模区较大一方，则减d x 。，反之则增大，并重复以上步骤， 一直到找到一组参数满足模折射率在单模区域的条件为止。一般在数值孔径在 0 2 罕0 3 之间时，总能找到一组合适的参数。若始终未找到一组合适的参数， t 口渊整w 。原则是若模折射率在单模区较大一方，则调大w ，反之减小w ，直至 找至i j _ 一组合适的参数为止，至此设计工作便完成了。 以下是一个设计的实例。由光纤截面要求，我们选择h = 2 o j u m ，w = 8 0 1 - l m 。 接着在图3 4 中选取单模区域，初步确定j 。= 7 ，再作h = 2 0 p m ，x o = 7 时不 i 川脊宽f f 模折射率随刻蚀深度变化图，选取d = o 2 p m 时恰好处于单模区域，模 折射率为3 5 0 6 ，相应的数值7 l 径n a = 0 2 8 ，因而这组参数满足要求，此时的 模传播常数为b = 1 6 9 5 1 0 7 m 。 3 5 波导的传输损耗特性 我们认为在s i g e 光波导中导致传输损耗的主要原因是界面缺陷散射，而 这种散射引起的损耗与界面处的光强成正比。为了比较渐变型s i g e 光波导与 均匀型s i g e 光波导由这一原因导致的损耗，我们分别计算这两种波导的场强 分布。由于这两种波导主要的区别在脊高方向，界面散射也主要集中在内脊部 分( 即图33 所示i 区) ，因而可近似的用- q 内脊部分结构相同的平板波导来作 比较。分别对这两种平板波导进行场分布的计算，并由通过波导截面的能流作 归一化，就可分别求出两种波导在界面处的光强。在这里我们利用( 3 3 ) 式所得 传播系数矩阵，如下式所示1 3 l ， 剐= 匕b b k 磷v o ， b s ， 呼点， ， 其中，= 荔 ，m ，= 7 - 彬j e , ，l j ，中二= 一t r i h ： 。对t e 取- ：段，对t m 取 卜段，即可求得两者在波导中的场强分布，分别对其作截面所在平面的全平面 坡印廷矢量r 方向的积分归一化，归一化中衬底中的场中= 巾。e x p 0 z ) ，包层 中o = 嚷e x p 魄力。取上面给出的例子中的参数，高为3 0 t m ，g e 峰值浓度为 7 的渐变型波导，并取具有相同传播常数的均匀波导，其g e 浓度为3 5 ， 则前者与后者的t e 模_ - qt m 模的能量强度分布如图3 6 。从图中我们叮以看到， 渐变性s i g e 光波导具有比均匀型光波导更小的界面光强，因而受界面散射的 影l 响较小，具有更小的界面传输损耗。若只从界面处的光强来初步估算，则渐 9 变形光波导将比均匀形波导的损耗减小4 0 。 3 6 本章小结 图3 6 光场强度在波导截面上的分布 以上我们讨论了渐变型s i g e 光波导的结构，并对这种形式的光波导进行了 模式分析，给f n 了参数设计的方法。通过与均匀型波导的界面处场强分布的比 较，这种形式的光波导受到的界面散射影响较小，因而具有更小的传输损耗， 斟而采用这种形式，有望得到性能优良的低损耗硅基光波导。 2 0 参考文献： ( 1 r as o r e f , a n dj p l o r e n z o ，a l l + s i l i c o na c t i v ea n dp a s s i v eg u i d e d - w a v e c o m p o n e n t sf o r 五2l 3a n d16g m 1 e e e ，q u a n t u me l e c t r o n 1 9 8 6 2 2 ：p p 8 7 3 8 7 9 2 】b nk u r d i ，a n dd g h a l l ，o p t i c a lw a v e g u i d e si n o x y g e n - i m p l a n t e db u r i e d o x i d es i l i c o n o n i n s u l a t o rs t r u c t u r e s o p t l e t t ，1 9 8 8 ，1 3 ：p p 17 5 一j7 7 【3l b l w e i s s ，g t r e e d ，s k t o h ，ra s o r e f , a n df n a m a v a r ，o p t i c a l w a v e g u i d e si ns i m o xs t r u c t u r e s i e e e p h o t o n t e c h n 0 1 l e t t ，1 9 9 1 ，3 ：p p 1 9 2 1 【4 】r a s o r e f , f n a m a v a r ，a n dj p l o r e n z o ，o p t i c a lw a v e g u i d i n gi nas i n g l e c r y s t a ll a y e ro f g e r m a n i u ms i l i c o ng r o w no ns i l i c o n 印tl e t t ，1 9 9 0 ，1 5 ：p p 2 7 0 2 7 2 【5 】a s p l e t t ，j s c h m i d t c h e n ，b s c h u p p e r t ，a n dkp e t e r m a r m ，l o wl o s so p t i c a l r i d g ew a v e g u i d e si nas t r a i n e dg e s ie p i t a x i a ll a y e rg r o w no ns i l i c o n e l e c t r o n l e t t ，1 9 9 0 ，2 6 ：p p 1 0 3 5 1 0 3 6 【6 】ym l i u ，a n dp r p r u c n a l ，d e e p l y - e t c h e ds i n g l e m o d eg e s ir i bw a v e g u i d e s f o rs i l i c o n b a s e do p t o e l e c t r o n i ci n t e g r a t i o n e l e c t c o n l e f t ，1 9 9 2 ，2 8 ：p p 1 4 3 4 1 4 3 5 f 7 】js c h m i d t c h e n ，b s c h u p p e r t ，a s p l e t t ，a n dk p e t e r m a n n ；g e r m a n i u m d i f f u s e d w a v e g u i d e si ns i l i c o nf o r 五= 1 3p ma n d 五= 1 5 5l i mw i t hl o s s e sb e l o w0 5 d b c m i e e e p h o t o n t e c h n 0 1 l e t t ，19 9 2 ，4 ：p p 8 7 5 8 7 7 【8 】uf i s c h e r ，b s c h u p p e r ta n dk p e t e r m a n n i n t e g r a t e do p t i c a ls w i t c h e si ns i l i c o n b a s e do n s i g e w a v e g u i d e s 1 e e e p h o t o nt e c h n 0 1 l e t t ，19 9 3 ，5 ：p p 7 8 5 7 8 7 【9 】u f i s c h e r ，b s c h u p p e r ta n dk p e t e r m a n n ，o p t i c a lw a v e g u i d es w i t c h e si n s i l i c o nb a s e do ng e i n d i f f u s e dw a v e g u i d e s 1 e e e p h o t o n t e c h n 0 1 l e t t ，1 9 9 4 ，6 p p 9 7 8 - 9 8 0 【10 jvg a o ，e k l i u ，g z l i ，e ta l ，s i l 。g e s is i n g l e m o d er i bw a v e g u i d e sw i t h 05d b c mb ym o l e c u l a rb e a m e p i t a x y c h i nj p 蛳l e f t ，19 9 4 ，11 ：p p 7 3 4 7 3 6 【11 】s f p e s a r c i k ，g v t r e y z ，s sl y e r ，a n dj m h a l b o u t s i l i c o ng e r m a n i u m o p t i c a lw a v e g u i d e sw i t h0 5d b c ml o s s e sf o rs i n g l em o d ef i b r eo p t i cs y s t e m s 1 e l e c t r o nl e f t ，1 9 9 2 ，2 8 ：p p 1 5 9 - 1 6 1 【12 】r a s o r e r , s i l i c o n b a s e do p t o e l e c t r o n i c s p r o c 1 e e e ，19 9 3 ，8 1 ：p p 16 8 7 1 7 0 6 【13 】l n a v a l ，b j a l a l i ，l g o m e l s k y ，a n dj m l i u ，o p t i m i z a t i o no fs i i 。g e j s i w a v e g u i d ep h o t o d e t e c t o r so p e r a t i n ga t 2 1 3p a n l ，l i g h t w a v et e c h n o l ，1 9 9 6 ， 1 4 ：p p 7 8 7 - 7 9 7 【1 4 l s r u s c h i n ，gg r i f f e l ，a h a r d y ，a n d n c r o i t o r u ，u n i f i e da p p r o a c hf o r c a l c u l a t i n gt h en u m b e r o f c o n f i n e dm o d e si nm u l t i l a y e r e dw a v e g u i d i n gs t r u c u t r e ，o p ts o ca m e ra ，1 9 8 6 ，3 ：p p 1 1 6 1 2 3 15 】y f l ia n dj w y l i t ，c o n t r i b u t i o no fl o w i n d e xl a y e r st om o d en u m b e ri n m u l t i l a y e rs l a bw a v e g u i d e s ，o p t s o ca m e ra ，19 8 7 ，4 ：p p 2 2 3 3 2 2 3 9 4 1 引言 第四章折射率反转型硅基光波导 由于近代光集成的需要，对波导器件有许多新的要求，各种新型波导器件 结构不断被提了出来。但是，现在绝大多数的光波导，都是基于光从折射率较 大的介质入射到折射率较小的介质时发生的全反射来进行光的约束和导引的【i i ，而其他光束缚和导引机制的波导则并没有得到很好的研究。最近几年，这种 情况有所改变，已有一些关于这方面的工作，如k n i g h t 等人基于光子禁带原理 的波导”1 1 7 】：d a i 等人和s c h n u r e r 等人使用金属涂层的中空石英光纤，然而， 至今为止，还没有关于硅基上的平面波导的研究。 在这里，我们提出了一种新的硅基平面光波导结构，在这种结构中，光在 折射率较低的芯层中传播。对于这种结构的波导，由于芯层的折射率要比衬底 和覆盖层低，因而其导引机制完全不同于通常波导的全反射机制。我们对这种 波导结构，进行了理论分析、数值模拟和实验测量，研究了其模式特性和传输 特性，发现这种波导具有良好的单模特性与小的传输损耗。 4 2 波导的结构 波导的结构是一层二氧化硅夹在硅和多晶硅中间，如图4 1 所示。对于13 9 m 和1 5 5 9 m 的红外光而言，二氧化硅的折射率比硅和多晶硅小很多，因而在这种 结构中，若光能被束缚在二氧化硅这种折射率较小的介质层中传播，那么就是 一种典型的折射率反转型光波导。 光在这种波导中的束缚机制是由于：在这种结构中，如果在二氧化硅中的 光波掠射到硅和二氧化硅的界面上时，由于很大的入射角和界面处穗种介质很 大的折射率差，而根据f