硅基二氧化硅波导和SOI脊型波导应力双折射研究

采用有限元方法分析了硅基二氧化硅波导和SOI（Silicon on Insulator）脊型波导内部残留热应力引起的双折射.对于硅基二氧化硅波导,应力双折射系数的数量级为10－4,对于上包层为空气的SOI脊型波导,该系数的数量级为10－5,对于上包层为SiO2的SOI脊型波导,该系数的数量级为10－3,可见在硅基二氧化硅波导和上包层为SiO2的SOI脊型波导中产生了大的应力双折射,而在上包层为空气的SOI脊型波导中应力双折射较小.     

SOI波导光传输损耗和端面耦合损耗的精确测量与理论分析（英文）

采用法布里-珀罗(Fabry-Perot)谐振腔(也称F-P腔)方法测试SOI波导光传输损耗及其与光纤的端面耦合损耗的测量精度,对具有相同尺寸长度为8.37 mm的三条SOI波导通道进行测量,得到SOI波导光传输损耗和端面耦合损耗的平均值与测量精度值,且测量精度偏差值很小。通过温度的自动控制扫描仪对另一条长度为12.5 mm的SOI波导进行三次重复测量,获得的传输损耗值和端面耦合损耗值相同,说明采用F-P腔方法获得的测量精度值很稳定。建立了SOI波导传输损耗测量精度da/a与F-P腔谐振输出功率极限值消光比的相对误差dtM/tM和SOI波导端面菲涅耳反射系数的相对误差d R/R之间关系的理论模型。模拟结果表明:改变SOI波导上、下包层和芯层折射率,对光传输损耗和波导-光纤端面耦合损耗的测试精度无影响。数值模拟结果与实验测试结果相一致。     

一种基于多模干涉耦合器的模转换与合并器件的设计

多模波导干涉（MMI）耦合器在集成光路中被用来实现波导模式的转换或合并。对于实际的基于硅绝缘体（SOI）的三维波导，数值设计方法是必需的。采用有限差分波束传输法（FD-BPM）设计了一种66％模式转换、合并器。首先由FD-BPM求出MMI耦合器的输入、输出波导所支持的基模和一阶导模的模场分布，通过数值方法得到MMI耦合器的长度，然后将求得的模场作为输入波场，经过FD-BPM运算后在器件输出面上计算交叉积分得出实际的由基模转换为一阶模的功率百分比。对于算例中采用的SOI波导，器件长度为829μm，65．7％的功率由基模转换为一阶模。     

一种分析三维楔脊形光波导与光纤耦合的方法

和直波导的不同在于，三维楔脊形波导中的光场都是不稳定的.分别对波导-光纤耦合、光纤-波导耦合两种情况，将三维楔脊形波导等效为多段短的直波导，利用束传播法同时对三维楔脊形波导内不稳定的入射、反射场，及它们在传播方向上的偏导进行处理，再用自由空间辐射模法计算透射率和反射率.以SOI楔脊形波导和光纤的耦合为例，验证了该方法的可行性. 关键词： 自由空间辐射模法 束传播法 耦合 透射 楔脊形光波导 绝缘体上硅(SOI)     

一种由椭圆形金属和介质纳米线组成的混合表面等离子体光波导的基模控制特性研究

本文研究了一种由三根并排放置的椭圆形金属-介质-金属纳米线构成的混合表面等离子体光波导所支持的电磁场基模的控制特性,中间是高折射率的介质纳米线,左右是两根对称放置的金属纳米线。研究结果表明,基模电磁场增强效应主要分布在三根纳米线形成的两个间隙区域,且对整个结构的几何参数有一定依赖性。因此,通过改变纳米线的几何尺寸、两根纳米线之间的间距以及介质的电磁参数,可以调整和控制这种波导所支持的基模的有效折射率、模式传输距离、归一化的模式面积和模式束缚因子等物理特性。基于这些有效的模式操控特性,这种混合型的表面等离子体光波导可以应用于高密度光子器件集成、纳米光子学和生物传感器等领域。     

集成光学

集成光学、波导理论 TN252 2004021174 基于SOI的光子晶体波导的研究=Study of SOI-based photonic crystal waveguides[刊,中]／解灵运(清华大学电子工程系．北京(100084))．张冶金…∥半导体光电．一2003,24(6)．—392-395 给出了基于SOI晶片,带隙中心位于1550 nm的光子带隙材料及光子晶体波导器件的设计方法。采用基于超原胞的平面波展开法和基于完美匹配层边界条件的三维时域有限差分法,对二维光子晶体平板的带隙结构及光波传输进行仿真。在大量计算和优化的基础上,设计了适于248mm深紫外曝光和0．18μm离子束刻蚀工艺的光子晶体带隙材料及波导器件,得到了初步的工艺实验结果和样品SEM测试结果。图4参10(严寒)     

基于耦合介质纳米线的深亚波长局域波导

提出了一种基于耦合介质纳米线的深亚波长局域波导,通过两根紧邻的高折射率介质纳米线的耦合,该波导可以将光场有效束缚在纳米线之间的低折射率纳米缝隙中. 计算模拟的结果表明,该波导的有效模场面积达到Λ²₀/200,比单根纳米线波导小一个数量级,这种深亚波长的模场束缚能力可以与表面等离激元混合波导相比拟. 计算模拟的结果还表明,纳米线可能带有的低折射率氧化膜、低折射率衬底的存在、以及纳米线间尺寸存在的一定差异对于该波导结构的实际应用都不会产生很大 关键词： 介质波导 亚波长局域 表面等离激元波导 纳米线     

有限元分析法在SOI基微环谐振器设计中的应用

利用有限元法(FEM)分析了大横截面SOI(Silicon-on-insulator)脊型波导的本征模式分布,确定了脊型波导的单模条件。在保证单模传输的情况下,模拟了SOI微环谐振器中波导耦合器的耦合长度、功率耦合系数与波导尺寸和间距的关系。模拟结果表明:对于W=1μm,H=2μm的SOI脊型波导耦合器,耦合长度LC随波导间距d的增加而增大,功率耦合系数随之减小。在波导间距d0.8μm的情况下,耦合长度LC随着归一化脊高r的增加而增大,当d0.8μm时,耦合长度LC随r的增加而减小。模拟结果为SOI微环谐振器的设计和应用提供了理论依据。     

平面光波导生物传感器微流通道的不可逆封合

提出采用不可逆封合技术来解决可逆封合的平面光波导生物传感器的微流通道在注入液体压力较大时会出现漏液的问题。分别采用等离子体法、氧化法、紫外灯照射法和紫外胶法实现了聚二甲基硅氧烷（PDMS）和绝缘材料上的硅（SOI）波导的不可逆封合。首先,采用4种实验方案分别处理PDMS和SOI波导表面,测试了经上述几种方法处理后微流通道与波导的粘合能力的强弱。然后,定量分析PDMS和SOI波导的封合效果。最后,经过实验比较得出用等离子体处理PDMS和SOI波导表面得到的不可逆封合效果最好的结论。文中也讨论了其他实验因素对粘合程度的影响。     

互易波导模式耦合理论

波导中模式耦合是一种普遍的现象.在光纤通信中不同导模之间的耦合会引起串扰,导模和辐射模的耦合会降低导模的功率.另一方面,利用模式耦合现象能设计出具有特定功能的耦合器和分束器等光学器件.模式耦合在光纤通信和光纤传感中也具有广泛应用.因此,分析研究波导模式如何耦合具有重要的应用价值.模式耦合理论是研究波导中模式耦合的常用方法,不仅提供了一种直观的物理图景来描述光学模式如何杂化,而且还对相关模式如何杂化给出定量评估.近年来,以宇称时间对称性结构为代表的非厄米波导成为研究热点,但传统模式耦合理论在这种情况下不再适用.本文简述了模式耦合理论的发展历史,详细介绍了构造互易波导模式耦合理论的关键概念和方法,进一步回顾了在波导模式耦合理论方面的一系列代表性工作,尤其是手征对称模式耦合理论以及广义模式耦合理论,总结了这些模式耦合理论和传统模式耦合理论之间的联系,最后简单介绍了它们在宇称时间对称波导及各向异性波导中的应用.     

Packing density of conventional waveguides and photonic crystal waveguides

We compare coupling between parallel waveguides within one-dimensional photonic crystals and coupling between conventional waveguides. We consider the situation in which coupling between the waveguides is minimized, so that light in the waveguides propagates essentially independently. Subject to this condition, we compare the minimum mutual distance between conventional planar waveguides and waveguides in one-dimensional photonic crystals. We find that the packing densities of the conventional and periodic structures are comparable.     

Coupling methods in prospective single-mode fiber integrated optics systems: A progress report

A review of the research progress on the coupling of fibers to fibers, fibers to thin-film waveguides, and thin-film waveguides to thin-film waveguides is presented here. In general, the direct excitation method is preferred for the coupling of two fibers, with efficiency larger than 90%. The direct excitation method is also preferred for the coupling of two thin-film waveguides and thin-film waveguides to fibers where the two component waveguides have vastly different refractive indices. The coupling efficiency depends on matching the field pattern of component waveguides. The laser source to fiber launching is done mostly by direct excitation. The evanescent field coupling method is preferred for the coupling of two thin-film waveguides that have close refractive index profiles, with efficiency larger than 70%.     

Guiding of a one-dimensional optical beam with nanometer diameter

The concept of a one-dimensional optical wave and its waveguides are proposed for what is to our knowledge the first time. The proposed waveguides are principally new and named for one-dimensional optical waveguides. One-dimensional optical waveguides make it possible to guide very thin optical beams in the visible or the near-infrared region with a diameter in the nanometer range. The propagation properties are analyzed theoretically. The applications of the waveguides to optical devices in the nanometer range are discussed.     

Reducing crosstalk between nanowire-based hybrid plasmonic waveguides

Hybrid plasmonic waveguides based on a surface oxidized dielectric nanowire placed on a metal surface can facilitate simultaneously deep subwavelength mode confinement and large propagation length. Directional coupling based on such waveguides are theoretically investigated. Much lower crosstalk is noticed for such hybrid plasmonic waveguides compared to conventional waveguides based on bare dielectric nanowires. Some modifications, such as vertically placing the metal surfaces or using a metallic block between the nanowires, are studied which can further reduce the crosstalk between two waveguides. The proposed low crosstalk structures based on hybrid plasmonic waveguides can provide a simple platform for plasmonic integration which can at the same time easily interface with traditional photonic circuits.     

小尺寸低折射率差硅基二氧化硅阵列波导光栅

随着AWG型器件在光通信系统中的大规模应用,对低成本AWG芯片的需求越来越多。在各种降成本方案中,减小AWG芯片的尺寸是最有效的方法之一。本文介绍了一种新型小尺寸低折射率差硅基二氧化硅阵列波导光栅（AWG）的设计。在该AWG中,输入波导/输出波导与平板波导连接的部分制作成两侧为空气槽的高折射率差波导,所以在与输出平板波导连接处的相邻输出波导间距较小,这样可以在设计上缩短平板波导的长度、减少阵列波导的数量,实现较小的AWG芯片尺寸。该AWG的其它部分,如输入/输出波导与光纤耦合的部分、阵列波导光栅等均采用常规的低折射率波导工艺,所以就同时具有与常规的低折射率波导AWG相同的优点：如低耦合损耗、较好的串扰以及光学特性等。根据这个原理,设计了一种40通道100 GHz频率间隔的低折射率差硅基二氧化硅AWG,其芯片尺寸只有23.88 mm?10.5 mm,是传统相同材料制作的AWG尺寸的1/6。     

各向异性晶体波导的倍频理论和实验研究

在波导耦合理论基础上，根据平面波导和通道波导的具体结构，分别推导了二种波导的倍频转换效率表达式，讨论了各种因素对倍频效率的影响，并采用离子法制备掺氧化镁铌酸锂和钽酸锂波导，测试和分析了它们的倍频性能，讨论了比较了平面和通道波道的特点。     

弯曲波导之间的耦合分析

采用极坐标下的光束传播法分析了两条平行变曲波导的中心间距、曲率半径等因素对模式耦合的影响,得到了耦合长度、耦合强度随中心间距、曲率半径的变化规律,并将直波导作为变曲波导的一种特殊情况进行了分析.     

梯形截面脊波导的特性分析

提出了用有效折射率法结合转移矩阵理论对梯形截面脊波导进行数值分析的新方法。对梯形截面脊波导中模式传播常数和模式间耦合系数的分析表明,梯形截面脊波导与稍宽的矩形截面脊波导行为相同。这一结论有利于简化梯形截面脊波导的设计,提高实际器件的精度。     

平面光波导用于实时测试生化反应新方法的研究

在分析经典消逝波光波导生化传感器的基础上,为寻找性能更佳的传感器,探讨用更为直观的截止特性来进行生化传感。分别对三层及四层平板波导进行了研究,指出了作为基于截止特性的生化传感器三层波导结构存在的局限性。在理论上研究了可以在四层波导中使用变折射率材料来进行基于截止特性的生化传感,并给出了由空气隙、极化聚合物、高折射率薄膜、待测物组成的传感器结构示意图。用数值分析的方法绘出了此装置的灵敏度与高折射率薄膜厚度的关系曲线,并将它同经典消逝波光波导生化传感器灵敏度与薄膜厚度关系图进行了比较。结果表明,这种新型传感器理论上可以在较厚的薄膜结构中达到很高的灵敏度。     

硅基混合表面等离子体纳米光波导及集成器件

总结并展望了硅基混合表面等离子体纳米光波导及集成器件方面的理论和实验研究工作。首先介绍了几种硅基混合表面等离子体纳米光波导结构,其尺寸可小至100 nm以下,而传播长度达100μm量级;其次介绍了基于硅基混合表面等离子体纳米光波导的功分器、偏振分束器和谐振器等集成器件,其尺寸为亚微米量级;最后探讨了硅基混合表面等离子体纳米光波导与硅纳米线光波导的耦合及对其进行增益补偿。