（光学工程专业论文）光波导应力双折射研究.pdf

新江大学坝主学位论文 摘要 y8 7 6 9 2 7 光信号在光纤中传输时，其偏振状态发生陡机变化，因此偏振不敏感成为光 纾透信系统的光器件的重要要求。对于綦于干涉型豹光波导器件，由于波导中 t e 、t m 模的传输常数不同，引起同一波长的疆；模和1 m 模的光在器件输出端 性能不一样，产生中心波长漂移等闯题，此即艇谓偏振敏感性，光波导的双折射 分橱是研究波导器件偏振敏感性阕题的基础。光波导的双折射包括波导几何结构 弓| 起的结构双折射和工艺制作过程中残留热应力引起的应力双折射，对结构双折 射的研究 b 较容易，采用现脊成熟的波导数值模拟方法，如有限差分方法黝，有 限元方法f 糊，光束传输方法b 雕等即可研究不周结构下波导双折射变化情况，对 于硅基二氧化建光波导，s o i 光波导等应用广泛的光波导，其结构双手斤射晕已被 人们深入研究透彻；然两对于这些光波导中的成力双折射的研究却缀少，本文对 光波导中的应力双折射作了详尽的理论模拟分析。 残留热应力一般会弓l 起光波导的务向异性和非均匀憔，本文推导了各向异性 介质中的半矢量波动方程，详细推导了采用非均匀奄陨差分方法求解半矢最波动 方程的差分格式和步骤。对于采用有限元方法来求解波导本征值问题也作了简单 介绍。 本文对于三类光波导中豹应力双折射作了深入丽细致的研究工作，这三类光 波导包括硅基二氧化硅光波导，s o i 光波导，以及最近兴起的纳米尺寸礁波导。 应力双据射的研究困难之处蓠先在于应力计算模型的建立，最初研究人员采用了 普通平面应变模型，认为沿波导方向豹应变为o ，这种模型与实际情况有些差距； 最近提出的标准平面应变模型改进了这一缺赡，使得诗算结采更接近实际愤况。 本文对这两种模型都有论述，同时比较了两种模型的计算结果，分析了采耀普通 平瓤皮变模型对计算结采带来的影响，结果表明两种模型对予双折射的计算是相 近的，但是普通平面应变模型在计箨不同方向的拆射率变化是有偏差的。本文还 首次在光波导应力诗算模型中引入了子模型方法来减小计算量，这种方法能够使 感兴趣区域的计箨结桨更为精确，并能在保证精度的稳况下缩短计算时间。采惩 有限元方法计算豹应力双拆射与近似解耄斤解计算绐果是翔近的，这也证实了近似 辨江大掌做主掌位论文 解析解的有效1 陡。 硅蒸二氧化硅光波导中的应力双折射的数量级大致在1 矿，芯层尺寸对应力 双折射的影响较小。采用调整上包层热膨胀系数与树底的热膨胀系数楣近的方法 能够有效减小光波导中的应力双折射，计算结果表明应力双折射被降低到l o 每的 水平；调熬下氨层热膨胀系数的方法不能实现消除应力双折射；另一种消除应力 双折射的方法怒刻蚀应力释放槽，结果表明在槽深达到下包层一定深度时，光波 导的应力双折射基本消失，箍槽宽对于应力双折射基本没有影响。波导间距对疲 力双折射的影响随着闻距豹增大邋速减弱，计箨结果表明在波导间距为波导宽度 的三倍以上时，相邻波导之间的应力影响已经可以忽略，波导陡的疲力分稚与仅 有一根波导存在的情况可以视为相同。 s o l 光波导的应力双拆射处于1o - 3 数量级，比上述的硅基二氧化硅光波导的 应力双折射要窝1 个数量级，这表明s o i 光波导中的应力双折射是簿常大的，两 计算结栗表明s o i 光波导豹结构双折射也基本处于l o 3 数爨级，这就给消除s 0 i 光波导的双折射提供了一个新的手段，本文采餍调整s o l 光波导上包层豹厚度来 实现调节应力双折射与结构双拆肘抵消，从而实现s o i 光波导无双折射。 纳米硅波导中虚力双折射的数量级在l o 。4 1 0 ，但其结构双手厅射可以达到 1 0 。1 数星级，闲丽难以采用应力双折射与结构双拆射相补偿来达到消除光波导双 折射的霾的，很却可以采用瘦力豹方法来微调纳米硅波导中的双折射。 关键词：廒力双折射；结构双折射；偏振相关饿；弹光效应；平丽酸交阏题； 有限元方法；j # 均匀有限差分方法；硅纂二氧化硅光波导；硅绝缘体材料( s o i ) 光波导；硅纳米波导； | l 浙江大学碛士学位论文 a b s 锄c t w h 髓。拼i c a l 茧g n a lp r o p a g a t e s 洫靠b e r s ，i t sp o l 撕z a t i o nv 鑫r i e sr 锄d o m l y ；s o 也e 主n s e n s 试v i 够o np o l a r i z a t i o nb e c o m e si n l p o r t a n tr e q u i r e m e n ti no p t i c a lc o m m u n 主c a t 量o n s y s t e m f o ro p 蛀c 甜w a v e g u i d ec o m p o n e n t sb a s e do ni n t e r f b r e n c ep r i n c i p l e ，b e c a u s e 璩ep r o p a g a t i o nc o n s t a n t so ft ea 芏l dt mm o d e sa r ed i f r e n t ，m eo 均) 毗p e 痂r i n a n c e o ft h ec o m p o n e n td 主曩b r se v e nf o rm es a 瑚ew a v e l e n g m ，r e s u l 翻gs b i no fc e n 嘲 w a v e l e n g 也；t h a tp h e n o m e n o ni sc a l l e dp o l 撕z a t i o ns e n s i 虹v i 瓴s oi ti sn e c e s s a r yt o s t u d yp o l a r i 枷o n 遍s e n s 撕v i t ya n dp o l a 最z 毪t i o nc o 玎l p e n s a t i o n b i r e 墩n g e n c ei s 西e b a s co f s t u d y i n gp o l 翻z a t i o ns e n s i 畦v 姆 o f o p t i c a lw a v e g u i d ec o 埘【p o n c n t ； b i r e 瓤n g e n c ec o m e s 矗o mt w os o 砒c e s ，o n ea r i s e s 矗o mw a v e g 出d eg e o 芏n “c a l 咖抛r ea n dt h eo t h e rf 幻ms 枉e s s 盘l 如gw a v e g u i d em 融m f 犯把r e 王ti se 舶；yt o i n v e s t i g a t eg e o m e t r i c 8 lb i f e 疗i n g e n c eb e c a i l s eo f w e l l d e v e l o p e dn u m e r i c a ls 确l l l a t i o n t e c h n o l o g yg u c ha sf i l 堇i t 争d i f 始r e n c 争m e 出o d ( f d ) ，蠡i l i t e - e l e l n e n t m e m o d ( f e m ) ， b e a m p r o p a g a t i o n - m e n l o d ( b p m ) o p l eh a v el u c u b 豫t e dp o l a r 至z a t i o np e r f o 瑚a n c e o f 胁i l 泌o p t i c a lw a v e g u i d e ，e g s i l i c aw a v e g u i d eb a s e do ns 雉c o n ，s 0 1w a v e g i l 主d e ； b u tr e s e a r c b e so ns t f e s s 毯r e 舾n g e n c eo f 也e s ew a v e g l l 主d e sa r cl i m i t e d s t r e s si n d u c e s 赫s o 订o p ya n dn o n u n i f o 掰li n d e xd i s t d b l l 蛀o nf o ro p t i c 啦w a v e g u i d e t 址sp 印e rd e d u c e ss e m i - v e c t o r i a lw a v ee q l l a t i o ni na n i s o 廿o p i cm e d i u m 鞠dd e d u c e s d i f 凫r e n c ef o r m a ta n ds t e p so fn o m l l l i f o r m 虹t e - d i f 氇糟n c e m e t h o df o rs o l v i n g s e m i 州e c t o d 啦w a v ee q u a t i o ni nd e t a i l 确ep a p e ri n v e s t i g a t e s 协o r o u 醢l ys 拄e s sb i r e 舶n g e n c e 洳让h 雠l 【i n do p t i c a lw a v e g u i d e ， i e s i l i c aw a v 。g 斑曲b a s e d o n s i l i c o n ，s o lw a v e g t l i d c a n dl a t e s ts i l i c o n n a n o 。w a v e g u i 如。s o m ed i m c 娜t i e sc 眦b e rr e s e a r c h e so ng 雠e s s b 酶撤n g e n c e ；t h e 蛀r s t i sm o d c l i l l go fs 神s sc 越c u l a t i n gm o d e l a tn l eb e g i i l l l i n gp e o p l er e 9 8 r dt h em o d e la s a no r d i n a r yp l a i ns t r e s sm o d e l ( o p s ) ，t a l ( e 咖i ni n 妇d i r e c t i o no fw a v e 鲥d ef o r z e r o w h i c hi ss o m ed i 瓤嫩w i mt 沁r e a lc a s e r e 娃t l yam o d i 矗e dm o d e lc a 重l e d n o r m a l i z e dp l a i ns t 糟s sm o d e l ( n p s ) h a sb e e ns u g g e s l e d ，b r i i l g i n gm o 托a c c u r a t e 珏l 浙江大擘硬士学位论文 r e s 试t s 强ep a p 盯d i s c u s sb o mm o d e l s ，c o | n p a r e st h e i rr c 难t s ；馕er e s u l t s 盎o wt 1 1 8 t 壤er e s u l t so fb i 糟f r 至n g e n c ec 雒c m a t i n gb yt w om o d e l sa r ec l o s e ，b u t 也e r ea r es o m e d i 瓶r e n c ei nf e s u | t sf r o mo p sm o d e lc o n s i d e 靠n g 也ea b s o l u t ev 硅l u eo fi n d e xc h a n g e 。 t h ep a p e ra l s oe m p l o y ss u b m o lt c c 圭l n o b 蹦f o rt 量l e 融s t 瓤l et or e d u c ec a l c u l a 圭至o n c o n l p l e ) 【i t y a n ds a v et i m e 谢啦m a i n t e n a n c eo fa c c u r a c y s t r e s sb i r e 黼n g e n c e c 雒c u i a t e db yf e ma n da l l a l y t i c a ls o l u t i o na f cv e r yc l o s e ，w m c hc o n f o r i n 也e 谢i d a t i o no f a n 由t i c a lf o h n u l a s 垤e s sb 妇越n g e n c e 壤麟c aw a v e g 癫d eb a s e do ns i l i c o ni sa b o u ti n 娃拎o r d e ro flo - 4 ， c o r e 蕊n e n s i o nh a s1 i m ei 芏l 垂l u e n c eo ns 骶s sb i r e 墩n g e n c e s 瓣s sb 醅衔n g e n c ec a 堇lb e r e d u c e db y 蛹u s t i 珏gc o e 爆c i e n to f 像e 黝o - e 印硅i l s i o n ( c t e ) o f 印p e rc l a d d i n gt o a r o u n dt h eo n eo fs n i c o ns u b s t 豫t e + 如1 er e s 谢t ss h o wt h a ts 妊e s sb i r e 赫n g e l 拉ei s m d u c e dt oa b o u tlo _ 6 ；a d j 删n gc t eo fl o w e re l a d d i n gc a n tr e d u c e 也eg s s b 泌赫n g 锶c e a n o 撕e fm e 也o do fe l i 蹦n a 垃n gs 船s sb i f e 饿n g e n c ei sc a 她s t r e s s r e l e fg r o o v e s ；r e s 壤t ss h o w 啦a tb i f e 矗i n g e n c ea l m o s t 蕾s a p p e a rw h e n 也ed e p t 量lo f g r o o v e sr e a c h e ss o m ed i s t a n c ei nl o w e rc l 醚d i n g ，b u t 埘d 搬o fg r o o w sh a sl i 棚e i 蝾u e n c eo ns 能s sb 沁触a g c n c e 1 嘏u e n c eo fd i s 协n c eb e 愀nw a v e g u i d e so ns 打e s s b i r e 衔n g c n c ea 船蛳a t e s 稍攮d i s 胁c ei n c r e a s e sa n d 瞻s 浊u 王a 畦o n 妫o w s 壤a tw h e n 搬ed i s t a n c eb e t w e e na 哇；a c e mt w o 、v e g 激d e si sm o r et h 黼t l l r e e 斑n e sl a 娼e r 也a n 馕e 蝴d 出o fw a v e g u 主d e ，c o u p l e rb e l w e e n8 d j a c e n l 例e g u i d e sc a nb ei 弘o f e d ，s 纰s s d i s t 渤u 娃o nc a | lb cr e g a r d e d 也es 锄e 诚斑t 董l eo n ei no m yo n cw e g u i d e s 髓s s b i 趟i n g e n c ei ns o 西c a lw a v e 龋d ei si n 髓喇e r o flo j ，热u c hl a r g e r 也a n 诹s i b c aw a v e 撕d e ；也a ti n d i c a t e sl a r g eb 醅触l 秘n c e 诬s o 王o p & a lw 酬e g u i d e s i m 妇c i o n ss h o wt h a tg e o m e t r i c 舯波赫n g e n c e 嫩s 0 1w 神e 撕d ei sa l s oi n 也e 砌e r o flo - 3 ，畦l cr e s u l to f w h i c hc a n 糖u s e dt oe l i m 溅gb i f e 晒g e n c ei ns w w e g 激d e a san e wa p p r o a c h 秘l ep a p e rd i s c u s s e sa d j u s t i n gt h ed e p t ho fu p l ) e rc l a d d i n gt 0 f e a l i z ec 8 n c e l l a l i o no fs 骶s sb i r e 饿n g e n c ea n dg e o m e t r i c a 重b i r e 蠹妇g c n c e ，s o e l i 搬洫a t i n gt h et o t a lb i 涮殖n g e n c eo fs 0 1w a v e g u i d e s s sb 至r 毋i n g e n c ei ns i l 主c o nn a n o w a v e g u i d e 远i n 也co r d e ro f1 0 l0 1 3 ，b u tt l l e g e o m e 仃i c a lb i r e 融g e n c ec a n 醅洫1 o * 1o 越e f ，s oi ti s 燕c u l tt oe m p l o yc a n c o l l a t i o n o f s t r e s sb i r e 越n g e n c ea n dg e o m e t f i c a lb i r e 颤n g e n c et oe l i m i i l a t i 芏l gt o 协lb i f e 箭n g e n c e i v 浙江大学硕士学位论文 证t l l i sk i n do fw a v e g u i d e 。b u ti ti sc o n v e n i e n tt or e a l i z et i n ya d j u s 妇e n to f b i r e f r 呈n g e n c ei ns i l i c o nn a 堇1 0 w a v e g u i d eb ys t r e s s8 p p r o a c h k 哪w o r d s ： s t r 嚣s b i r 曲曲g e n 髓；g m e t d c a ib 主触g 睫；p o i a 痂嘴t 主偶 d e p 蛆d ；曲o t 舢e l a s 彘穗& | ；p l a i ns t 精i np b l e m ；矗n i 协稍e m 蜘佃e t h o d ； n 明n n 洳m 矗n i t e _ d i 舶撑n 静m e 重h o 由s 澈c aw 吖e g u i d eb a s 硪s 载i c 伽；s o l w 孙7 e g i d e ；s m c o 丑n a n o _ w a v e g j 融e ； v 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 集戒光学发展状况 集成光学是研究媒痰薄膜中的光学现象，以及光学元嚣彳牛集成化的一门学 科，所谓光集成就是采用类似于半导体集成电路的方法，把光学元件集成在同一 衬底上驰集成光路p 】。集成光学出现于1 9 6 9 年前愿，它是在激光技术发展过程 中，由予光遴信、光学信息处理等的需要，丽逐步形成邪发展起来豹，隧莉巴从 基础酾开发研究进入了工程应麓输段。它要解决的实质问题，是获得具有不强功 能、不同集成度的集成必路，以实现光学信息处瑗系统的集成佬和微小型化。传 统的光学系统体积大、稳定性差、光束的对准和准赢困难，不能遥瘟光宅予技术 发展的需要。采用类似于半导体集成电路的方法，把光学元件以薄膜形式集成在 间一树底上的集成光路，怒解决缀有光学系统耀题的一种途径。这样的器馋其有 体积小、性能稳定可靠、效率商、功耗低，使耀方便等优点。 集成光学所愆的介质材孝尊应该对工作的光波长典肖小的损耗，做成光波导以 后，使输损耗要求小于l d b c m ；介质材料应具有多种动能，工艺上便于成膜秘 器馋制作与集成；在外界各种工作环境下具露长期稳定工作的性能，已探索过的 奉季料有玻璃、半导体、凝撬楗料以及铁电体等。 硅绝缘体秘料( s o i ) 是一种广泛应蠲子集成电路的材料。自从s 筷脊型光波 导在1 3 1 5 肛m 窗因内的传输损耗降低至o 1 d b c m 以来，硅材料光集成得到迅 速的发展，大量的s o l 光波导集成器件爵被研制出来。s o l 优募的光学性能以 及与c m o s 集成电潞工艺的兼容，使褥将来光子集成器件的低成本成为可能， 这一点被嚣常看好，因而得到广泛的研究和应用。 随着新材料的研发，集成光学所用的材料也因益多榉纯，包括l i n b 0 3 、s i 0 2 、 s i 、g a a s 、i n p 以及鸯礁离分子材料等 2 j ，这些榜料各具特色，大大促进了光集 成器件的磷发。这些材料做成豹光波导，传输损耗霹以达到小予l d b 允m 的要求， 在外界各种工作环境下舆考长期稳定工作的性能，量在工艺上便于成膜和器件制 作与集成。对应予不同的材料，有不同的波导结构，波导的各种性能也有所不同， 表1 1 捌出了不弼波导的结构靼关键参数。 浙江大学硕士学位论文 光纾通傣的巨大优势便现代通谖技术歪在经历着一场伟大的革命啦光纤通 信技术的迅速发展推动了念光网络h _ 冀的诞生。全光孵络由光传输系统和在光域 内进行交换，选路的光节点维成，光传输系统的容纛鞠光节点豹处理能力非常大。 光节点不遴行按信元或按数据包的电子处理，因而其霄很大的香睦爨，可大大 表1 1 不同光波导的结构参数川 圣| 鱼降低传输延迟。佟为全光网通信的蒸础，波分复掰( w d m ) 技术西】是一种基于光 学域的复罔技术。所谓w d m ，就是在单一光纤内同时传输多个不同载波的光波 信号，釉m 技术哭有容餐大，数据透明，扩容方便，成本低廉等优点。1 j | d 赫器件是 w d 醵系统中的核心器件，集成光波导型豹阵列波导光掇( a w g ) 是w d m 器件中的 一种，巽有平题光波导技术的优点。适合子实现大通道数、窄通道闯隔的波分复 靥。此外还其有低成本、高性能的优势，有利于实现大规模的生产。 除a 轷g 器件外，鹾菏发展豹其住光集成器件主要包括：光耦合器、大端口数 矩阵光开关( s 诚t c h ) 、阵列型可交光衰减器( v o a ) 、可调谐光滤波器( o t f ) 、掺锤 光波导放大器( e d w a ) 、可调谐增益均衡器等。 总体丽言，集成光学瓣研究正赣着低损耗，低成本，赢密度集成的方向发展， 2 浙江大学硕士学位论文 相信集成光学将走向更为广泛的实用化。 1 2 集成光学相关工艺 集成光学元器件的工装技术主要涉及成膜与光路微加工。通常采用外延、质 子轰击、离子淀入、强态扩散、离子交换、离频溅射、真空蒸发、等离子聚合等 作为成膜工艺；采用光刻、电子柬曝光、全患曝光、同步辐射、光锁定、健学麴 蚀、溅射翔蚀( 离子铣) 、反应离子刻蚀作为光路微加工技术。另外，高速脉冲技 零，则是测试及在疲用中不可缺少的手段。 作为集成必学中的单元器件，s i 基光波导主要包括两种：s i 蒸s i0 2 掩埋 型波导和s o i 脊型波导p 】。最早被广泛使用的材料是s i 0 2 材料，溺为它其蠢和标 准单模光纤匹配的优越性能，是臣前集成光学中一个重要光学器件a w g 研发的 蕾选材料。s i 慕s i 0 2 光波导的制作8 1 主要包括s i 0 2 膜的嫩长，光刻技术以及s i 0 2 的刻蚀技术等。s i 0 2 薄膜的锩逡工艺有：火焰水解法( f h d ) 1 9 1 、化学气相淀积法 ( c v d ，日本n e c 公阕开发) 、等离子增强p e c v d 法( 毛u c e n t 公司开发) l o 1 引、反 应离子蚀刻技术越b ，多魏硅氧化法和熔胶一凝胶法( s o l 鸣e 1 ) ，在我们实验窒采 用的是p e c v d 方法。 s i 基光波导制作工艺流程分为：波导层( 包括芯层下包层) 生长、光刻、于 法( 混法) 刻蚀、覆盖层生长，如下图1 1 所示： 缸) 。 铷：妊抛错群e 黼谴e h 强7 渤辨船 蠹燃塞。， w a v e g 畦d e1 3 斡r m 浙巍大学硕士学位论文 0 ) d 鲥d 滞 ( d ) e t c 妇蜷 n s k 据r e 媳融誊 w w 刚幽l a y e r 聪8 蠢g 醍1 1 疆基光波导工芑钊律流程潮 。3 光波导的双折射 在物理光学中大家已经熟知单轴磊体或者双轴晶体中存在双折射现象，郎。 光弱e 光雀晶体中具有不同的传播速度( 反映暴体对。光帮e 光具有不同静折射 率) 。在波导中也存在类似的现象，当在光波导( 或者光纾) 中转输豹光具脊不 阕的偏振方囱辩，光波的传输速度不同( 豳瓤不同的缡振模式其有不问的有效掰 射搴) ，这种情况也是种双折射现象，若光器件的性能与在其中转输的光的倘 振雀关，粼该光器件爨套偏振敏感性。囱予经过普通光纾传输詹，信号光偏振态 发生缒枫交化，因此对于巍纾线路上的光器件来说，偏振不敏感嚣嚣重要。弓f 越 双拆射的原因主要燕波导结构和乖砉料本身引起的。如图1 2 所示，s o i 光波导貔 两个基模( 豫模幂珏t m 模) 的有效折射率分嬲为3 4 4 8 0 8 6 帮3 。4 4 6 9 9 7 ，由于结 构不对称所导致的双折射为o 1 0 8 9 ，慰予缀多基于干涉型的光器件来说，这个 蹩级的双折射已经不能忍受了。以阵列波导光栅器件( a w g ) 为倒，其偏振相 关波长( p d 磅由公式扣x 删决定，其中x 为邋道波长，忍相力分别为阵列波 导的有效折射率、双折射。对予s o i 脊型波导，肖忍z 3 。碡4 鞠擒1 5 5 0 n m 。对于 4 浙江大学联士学位论文 通道间隔为o 8 n m ( 1 0 0 g z ) 的a w g 雨言，一般要求i 从1 0 0 2 2 n m ，由此可得双 折射范图：l 叫 5 l o ，雨上述的s o i 光波导其双折射达到l o ，显然不能在a w g a ) 弧模豹霸分布b ) t m 模的盈分布 图1 2s o i 光波导的两个基摸场场分布：( a ) n 。萨3 4 4 8 0 8 6 ；( b ) 萨3 4 4 6 9 9 7 设计中使用。通过弓| 入额外器件，可以消除p l c 集成光器件( 鳃a w g ) 豹偏振敏 感，如使用偏振分荣器、播入半波片。然而这揍方法增加了器件的复杂性和成本， 同时也降低器件其他性能，比如插入损耗增大，一种简单有效的办法是采用偏振 不敏感的波导结构。 对于s i 基s i 0 2 掩埋黧波导来说，虽然能够在结构上实现对称( 魄妇正方形 截面) ，但是由于s i 0 2 与基底s i 材料底热膨胀系数不问，从两在制作过程中弓l 入 热应力导致备翔异性，由于光弹效应，最终导致波导的偏振双折射，因丽有必要 研究硅基二氧化硅光波导中应力双折射大小以及如何减小这类波导中的应力双 折射。 对于基于s 蹬材料的脊型波导来说，偏振相关主要来垂于波导结构的不对称 性，对予大截丽尺寸的s 饿，能够选择合适的波导参数使得无双折射和单模条件 同时成立1 1 4 l ，但是对于小截匿的s o l ，无法寻找到同时满足单模，无双扳射，低 弯曲损耗等条俘的设计1 5 ，考虑至h 在s o i 光波导中也存在残留热应力，因藤可以 利用残留热应力引起的双折射作为调节s o l 光波导双折射的一个手段，这就给设 计人员充分自由去考虑功能实现，而对双折射这一闯题可以留在工芑制作阶段采 用应力方法消除。 目前硪究人员对超小尺寸的纳米硅波导有很大的兴趣，硅与二氧化蘸的折射 率撩差很大( 臌) ，因而能够对传输的光有很强的 匣制作用，使得光波导尺寸 处于疆微米级别，最终的光器件尺寸也大大减小，面显嚣有新型锥形模式匹配结 构使得单模光纾和纳米s i 波导的耦合损耗降低到l d b l l 嗣。因此基于纳米波导舱 光器件的总损耗可达到实用要求。这使得基于纳米波导的超小尺度光器件越来越 浙江丈学硕士学位论文 具有吸弓l 力。纳米硅波寻中的燕应力引起约双折射依然是在器件设计时需要预先 考虑的一个问题，应力双折射豹数量级以及是否有必要消除或者可否利用疲力双 折射都是需要研究的问题。 光波导应力双折射研究中的关键问题是应力的求解，采用鸯限元方法求解光 波导中的残鹜热瘦力，根据巍弹效应得懑波导截藤上的折射率分布，菇誉j 用有限 差分方法减者衣；瑟元方法来求得波导的有效折射率，这样可以得溉残窝热泣力弓l 起的波导备囱异性对光波蟹器传性能的影晌。 总体餐来，魏前国内外对光波导应力双新射的研究还不多。对于硅綦二戴亿 谴光波导中的废力双折射研究匿外作了较多工作，弗且提出了采用应力方注减少 这类波导中的双折射的方法，比如刻应力稽1 刀和调夔上包层热膨胀系数，焚 健方法骞：半波片，在阵列波导中插入硅双瓠射补偿貘( s i - b 汝微n g c n c e c o m p e n 鼹t i o n ) 【1 9 j ，应力硅朕( s 拄e s s a p p l y i n gs i l i c o n f i l l n ) 【2 0 】，二氧化礁基底( s i l i c a s u b s 自啵把) f 2 1 】 然而计算瘦力的有限元摸蝥【2 2 ，2 3 都是采用酱通平蘸应变模型辩触，这种模型的 缺点是纵向应变与实际不相符，m l u a n g 提出了硅基二氧化硅光波导芯层中虚 力的解拆表达式斟】以用来估计光波导的应力双搋射，然诼该解析表达式仅仅适 溺于硅基二氧化硅光波导，其求解过程不具有通震髋。对于s o i 光波导中的应力 双折射研究比较少，近期x ud 等人采嗣了一种标准平两应变模型f 2 邦，这种模 型考虑了纵向疲变不为零的实际情况，因丽求解的结果燮准确，还绘如了标准应 变模型和普邋平丽应变模型的关系，指出w 以通_ 过交换杨氏弹性模量，泊松比， 热膨胀系数来实现采用酱通吊瓤应变模型来计算标准平蕊应变闽繇。对予目前研 究人员e 较感兴趣的小尺寸的纳米硅波导中应力双拆射的研究，圈外尚未发现有 穗必报道。 嚣内对光波导应力双折射领域的研究非常少，文献 2 6 对硅基二氧化硅光波 导中的虚力双折射佟了简单介绍，然瓶对于应力求解模型提得缳少，圜咚其它文 献中也少见有对光波导应力有限元计算模型的阐述。对于s o i 光波导中的应力双 折射研究，至4 目前为止国内几乎没有看到有相哭摄道。 详尽磋究光波导应力双折射，从建立应力求解的农限元模型，分析常见的几 类光波导( 硅基二氧化硅光波导，s o i 光波导，硅纳米波导) 尺寸以及其他结构 6 滤江大学硕士学位论文 参数对其应力双折射影响，国内国外尚未有人慰这项工作傲过系统研究，因雨非 常有必要对光波导瘦力双折射作一完整全两豹分柝，这项工作萄以从理论上解决 光波导中应力分布情况，进一步可以了熊应力双辑射对光波导器件性能影响的大 小；对工艺制作方面也有蓑指导意义。 1 4 本论文主要内容 第一拳主要介绍了集成光学发展状况和集成光学中的工艺期造，最后介绍光 波导中的双折射。 第二牵贪缓了弹性力学中的应力和应变的概念，瘦功原理是弹性力学脊限元 方法的理论基础，在该章中也作了简单介绍，最后详细介绍了光弹效应及其公式。 第三章推导了各淘异性介质中的拳矢量波动方程，详细报导了j # 均匀有限差 分方法计算半矢量波动方程的差分格式和步骤：奔绍了有限元方法计算光波导本 征值阚题的原理和具体步骤。对p m l 边界条 牛的原理作了箍单介绍，最后绘出 了几个j # 均匀有限差分方法和霄限元方法的计算实例 第四意详细论述了两种应力计算模型：酱逯平面应变模型( 0 p s ) 和标准平 面应变模型( n p s ) ，并瓣子模黧技术作了简单介绍。研究了礁基二氧化穗光波 导几何参数和波导间距对其应力双橱射的影响：分析了两种减小疆基二氧化硅光 波导应力双拆射的方法：调整上包层热膨胀系数弱应力释放槽。 第五章分析了s o i 光波导的偏振特性，研究了波导几何结构对其应力双拆 射的影响；介绍了采翔调整上包层艨度的方法来实现消除s o i 光波导的双折射。 第六章研究了髓种缩构的纳米醚波导中的偏振特性以及应力双折射，分柝了 应力双折射和波导结构参数的关系，邸芯区尺寸的影响以及上下包层厚度的影 响。 第七章介绍了光波导器件偏振相关性引起中心波长漂移的检测。 第八章是对全文豹总结。 参考文献 1 傅赛灵，殷源，戴道锌，盛钟延，王谦，吕俊，周勤存硅基底平蠢波导光通 最集成器 件【j 】中隔计量学院学报，2 0 0 l ，1 2 ( 2 ) ：6 5 + 7 2 7 浙江大学硕士学位论文 3 4 5 6 7 8 张小康，廖常俊，刘颂豪用于终捌波导光橱( a 聪) 的材料及其特性分析【朋光电子 技术与信感，2 2 ，1 5 ( 4 ) ：卜5 左鹏，棒金桐光通信技术的成就与展望f j 】电信建设，2 0 0 l ，5 ：l l o 蔡茂圈，扬淑雯，全光网络及其上传送i p 的研究 j 】光通信技术，2 0 0 2 ，2 6 ( 1 ) ：9 - 1 3 解奕鹏，解金由。光纤逶信网向全光网络的演进【j j 世界网络与多媒体，2 0 0 2 ，l o ( 2 ) ： 4 9 - 5 1 刘颂豪光纤通信技术的新发展。光电子技术与馈息【j 】，2 2 ，1 5 ( 2 ) ：1 - 8 戴道锌。阵列波导光栅的理论建摸与优纯设计及其实验研究 周勤存聩基二氧化疆阵歹波静光襁波分复羯器榫的研究制佟 9 张乐天。哭远大，邢华等a 用s i 基s i 0 2 波导材料的翱冬 朋光电子激光， 2 0 0 2 ，1 3 ( 8 ) ：8 6 8 - 8 7 l ， l o + 己m a 碰嬲a d p o i 姐s p l a s 越ad e p o s i t i o no fo p t i c e l n l sa l l dc o a t i n g s ：ar e v i e w 【j 】j ， v a c s c i 。t e c h n 0 1 a ，2 0 0 0 ，1 8 ( 6 ) ：2 6 1 9 2 6 4 5 11 i p e f e y 糯，m i a l a y o h 鼬q 瑚姆l o w 把m p e f a t u f ed p e c v ds i l i c o nd i 刚d e 团j o 蝴l a lo f n o n - c r y s t a l l i n es o l i d s ，1 9 9 7 ，1 2 l ：2 2 5 2 3 1 1 2 f b r u n o m 如lg u 搬i c e ，r r e c c a e ta 1 p 1 a s m a - e 腩a n c e dc h e m i c a lv a p o r 却o s i t i o no f l o w - l o s ss i o no p d c a lw 嘲i d e s8 t 1 5 - 弘mw 拄v e l e n 曲t f 球a 释1 o p t ，1 9 9 l ，3 联3 1 ) 4 5 6 0 _ 4 5 6 4 1 3 g g 糊d ，j p j a d o t ， | 。d 嘲s ，e t 鑫1 l o w l o s s 薹e c v ds i l i c a c h a n n e l w a v e g i l i d e s f o ro p t i c a l c o m m u n i c a t i o n s f 琵e l c c 舡d n l e 娃，1 9 9 0 ，2 6 ( 2 5 ) ：2 1 3 5 1 2 1 3 7 1 4 l v i v i 如，s 。l 8 v 鑫i ，b d u m o n t ，s l a r d e n o i s ，a k o s l e r 。a n de c a s s a n p o 王a r i z 越i o n - i n d e p e n d e n ts i n 舀e m o d e r i b w a v e g 瞳d e s o n s 妊i c o n o n _ i i l s 珂8 t o rf 研 t e l e c o m 撙u n i c a t i o nw a v e l e n g t l l s 。o p t i c se o m m 2 l o ，p p 4 3 - 4 9 ，2 0 0 2 1 5 m r t p e a f s o n ，a 8 e z 汤g e r ，a d e l a g e ，j w 。f f a s e r ，s 妇l z ，p e j e s s o p ，a n dd - x x u a 雠) e dw a v e g l l i d e 辨t 呈n gd e m l l l t 主p l e x e r si ns 溉o n - o n _ i l l s u l a t o lp r o c s p i e3 9 5 3 ，p p 1l 1 8 2 0 0 0 1 6 k k l e e ，d r l i m ，d p a l l ，c 壬o e p 盎l e r ，w - yo h ，k w a d aa n d l c k i m e r l i n g ， k p y a pa n d t d o a n m o d et f 勰s f o 打l l e rf 研m i | 1 咖靠z e do p t i c a lc 沁堪t s 【j 】。o p t le 拄， 2 0 0 5 ，3 0 ( 5 ) ：4 9 8 5 0 0 17 n a d l e rck ，w i l d e 糯u t 1ek ，l a n k e rm ，e ta l 。p o l a r i z 撕o ni n s e 璐越v i 饥1 0 w - 1 0 s s ， 8 浙江大学硕士学位论文 l o w _ c r o s s 镪l kw a v e i e n g mm u l t 叫e x e rm o 翻l e s + l e e ej s e l e c t t o p i c sq u 鞠t u me l e c t 抛n ， 1 9 9 9 。5 ( 1 0 ) ：1 4 0 7 1 4 1 2 1 8 q j h 鑫 s m ， c u r e t 。n c ， b 矗c h e n o t ， e ta 1 s i m p l e m e t h o do f f a b r i c a t i n g p 0 1 a r i z a l i o m i n s 鞠s i t h 肾髓dv e l yl o wc f o s s t a l ka w g 静t i n gd e v i c e s e l e c 缸d n l e 仕，1 9 9 8 ， 3 4 ( 1 ) ：7 8 7 9 1 9 t a k a h a s h h ， 薹i b i y ，o h m o r iy ，e ta 1 p o l a f i 删o n _ i n s e n s 呈t i v e 嬲”e d w 删e g u i d e w a v e l e n g t hl l i 枷邱l e x e rw 纳b i f e 崩n g e n c ec o m p s a l i n g 蠡l m i 髓ep h o t o n t e c h n o l + l e 钍， 1 9 9 3 5 ( 6 ) ：7 0 7 7 0 9 2 0 o k 嘲om ，s u g ha ，j i n g 蟮k ，e 耄啦b i r c 掰n g e n c ec 锄仃o l 蘸s i i i c a 糊v e 枷d e so ns ia n d 趣 聊l i c a d o n t oa p o l 撕删i 咻b e 鼬s p l j 彻妇w i t c l l j l i 馥1 w a v e 轧c h 巩1 9 9 4 ，1 2 ( 4 ) ：6 2 5 6 3 3 2 1 s u z 浊is ，i n o u ey o 缸o m d r i y 。p o l 一z 确o m i n s e 娃s 磁v e 跚掣e dw a v e g u l d e 鳓g m u l h p l e x e fw i 镪s i 融o n _ s i og 舒u e t u f e e l e c 仃o n l e t t ，1 9 9 4 ，3 0 ( 3 ) ：6 4 2 6 4 3 2 2 。吴家龙弹性力学高等教育出版枉 2 3 王勖成，邵敏。有限单元法基本原理和数值方法第二舨，清华大学出敝柱 2 4 m h