基于Optiwave的硫系玻璃脊形光波导结构设计【文献综述】.docVIP

毕业设计文献综述 电子信息科学与技术 基于Optiwave的硫系玻璃脊形光波导结构设计 摘 要：本文首先介绍了光波导的特性， 阐述了脊形光波导的等效结构并采用有效折射率法对其结构参量进行设计。由于高的光敏性、高的溶解能量、容易制备、组分可调等优点是硫系玻璃薄膜越来越受到人们的关注，而折射率比石英玻璃高2～3个数量级更是使它成为集成光学器件研究的焦点。最后综述了近年来硫系薄膜光波导及其应用，并对它的进一步研究及应用进行了展望。 关键词：脊形光波导；有效折射率；结构参量；硫系玻璃薄膜 一、背景 随着全光信息处理和光计算机研究的发展，三阶非线性光学玻璃的研究已成为近年来光电子技术领域中最引人注目的研究课题之一。目前三阶非线性光学玻璃的研究方向是寻求非线性光学性能、响应时间、化学稳定性、热稳定性、光学损耗、加工特性及材料成本等诸因素的最佳结合点。其中，新型硫卤玻璃、高折射率氧化物玻璃、各种共振型掺杂玻璃等均有希望成为全光开关材料的最佳候选。 目前光纤通讯网络信息运载能力的提高并非受制于传输介质的能力，而是受到用于信号切换和处理的电子装置速度的限制，尤其随着高品质、低损耗光纤材料研究的突破，电子装置由于存在时钟偏移、严重串话和高损耗的缺点而产生光纤通信系统中的“信息瓶颈”现象。解决此瓶颈的关键是开发非线性超快光子学器件。由于玻璃具有在大部分波段透明、较好的化学稳定性和热稳定性、较高的三阶非线性极化率、较快的光响应时间、易于成纤成膜、易于机械光学加工等优点，受到研究者的普遍关注。一场旨在以充满生机活力的高速光子取代现有信息转换媒体即电子的革命性进程已经开始。 光波导是集成光学器件的基础和基本连接方式。光波导器件由于其小型化、易于大规模生产、成本低等优势，成为无源光通信器件的发展方向，使光子集成和光电集成成为可能。由于平面光波导膜层材料的不同，其功能及特性也有很大的差异。目前用于制作平面集成波导器件的材料体系中，硅基和石英基光波导因为在制作工艺上和光电子集成（IC）兼容，能够和ITU-T标准单模光纤很好地实现模式匹配，有着较低的耦合损耗和传输损耗。 二、光波导的特性 光波导是由光透明介质(如石英玻璃)构成的传输光频电磁波的导行结构。光波导的传输原理是在不同折射率的介质分界面上，电磁波的全反射现象使光波局限在波导及其周围有限区域内传播。现代应用的光频的波长介于0.8～1.6微米之间。实用光波导有光导纤维、薄膜波导(平板波导)、带状波导3类。 光导纤维的一个传输特性是衰减很小、频带很宽、抗电磁干扰，主要用于通信；光导纤维的另一传输特性是对外界的温度和压力等因素敏感，因而可制成光导纤维传感器，用于测量温度、压力、声场等物理量。 薄膜波导有三层介质,中层的薄膜厚度约1～10微米，上层（通常即为空气）和底层介质的折射率n1与n3都小于n2。当薄膜的宽度为有限尺寸时，称为带状波导。光波能量主要集中在的矩形带状结构中。薄膜波导与带状波导主要用于制作有源和无源的光波导元件，如激光器、调制器和光耦合器等。它们采用半导体薄膜工艺 ，适合于制成平面结构的集成光路(即光集成部件)。 三、脊形光波导 3.1脊形光波导等效结构 图1为等效脊形光波导的结构[1-12]。其中n1为覆盖层(空气)，n2为波导层，n3为衬底。波导的内脊高为b，外脊高为h，脊宽为w。在y方向上，由于各介质层折射率的差别，光能被限制在中间折射率较高的波导层中。对脊形光波导而言，光能不仅在y方向上受到限制，而且在x方向上也受到限制。这是由于波导在区域I的厚度b大于波导在外部区域的厚度h，因此区域I的有效折射率n1高于区域的有效折射率，这样便使光能在x方向得到了限制。由此特性可知这种结构器件可以作为光波导器件而应用于光电集成中。 图1 等效脊形光波导的结构 3.2 脊形光波导的参数设计 文献[1] [1]提出了SOI脊形光波导的模式及其分析，利用有效折射率的数值解与分析，通过计算得到了SOI脊形光波导内外脊高和脊宽等结构参数之间的关系，为加快SOI脊形光波导的使用化提供了有效地理论依据。 文献[2] [2]设想了脊形光波导的等效模型后，将有效折射率用于脊形光波导中，经过精确计算，得出了SOI脊形光波导传输单模光波时的合理尺寸。在所得的合理尺寸中选定其中b=300nm，h=150nm，w=400nm制作成脊形光波导后，测得其传输损耗为0.87db/cm，可见其传输损耗较小。 文献[3] [3]提到了分析矩形光波导最常用的方法之一就是有效折射率方法（EIM）。EIM以其简便，高精度的特点使其成为一种非常成功的矩形光波导研究方法。但是EIM存在一定的误差，本文提到为了减少误差，计算时要对波导覆盖层的折射率进行修正。从波导的短边和长边开始计算所得的结果是不相同的，对于基模Ex 模从波导长边开始计算的结果要