一種T型硅基亞波長(zhǎng)狹縫波導(dǎo)設(shè)計(jì)與特性分析

中北大學(xué) 山西省光電信息與儀器工程技術(shù)研究中心 王冠軍 譚緒祥 王志斌

一種T型硅基亞波長(zhǎng)狹縫波導(dǎo)設(shè)計(jì)與特性分析

中北大學(xué) 山西省光電信息與儀器工程技術(shù)研究中心 王冠軍 譚緒祥 王志斌

為了同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)兩種偏振光的強(qiáng)模場(chǎng)限制，本文提出了一種T型硅基狹縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，并研究了該狹縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的模式特性。研究結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的水平或垂直介質(zhì)狹縫波導(dǎo)相比，T形狹縫波導(dǎo)可以同時(shí)支持兩種高性能狹縫模式的傳輸，實(shí)現(xiàn)對(duì)兩種偏振光的較強(qiáng)模場(chǎng)限制。

T形狹縫波導(dǎo)；模式雙折射；硅基波導(dǎo)

1 引言

近年來，硅基結(jié)構(gòu)以其低廉的成本、優(yōu)良的導(dǎo)波特性在光傳導(dǎo)、全光信息處理等領(lǐng)域顯示出了巨大的應(yīng)用前景。但硅基波導(dǎo)傳輸光場(chǎng)主要集中在硅芯中，其導(dǎo)波特性受到衍射極限的制約。另外狹縫波導(dǎo)自2004年提出以來，就以其獨(dú)特的導(dǎo)波形式和超強(qiáng)的光場(chǎng)限制能力引起了人們的廣泛關(guān)注。硅基狹縫波導(dǎo)可以在納米尺度的低折射率介質(zhì)中實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)的限制與傳輸，從根本上擺脫了衍射極限的束縛。同時(shí)，狹縫波導(dǎo)的概念也逐漸延伸到其他波導(dǎo)形式。2007年英國巴斯大學(xué)Wiederhecker等人在微結(jié)構(gòu)光纖中引入了納米級(jí)尺度的空氣孔，并通過理論模擬及實(shí)驗(yàn)測(cè)量首次證明了光子晶體光纖中狹縫效應(yīng)的存在。

目前文獻(xiàn)中所報(bào)道的各類傳統(tǒng)狹縫平板波導(dǎo)可以分成垂直狹縫和水平狹縫兩種結(jié)構(gòu)。這兩種波導(dǎo)均只能在其自身的狹縫區(qū)域?qū)崿F(xiàn)對(duì)一種偏振光（TE偏振或TM偏振）的較強(qiáng)模場(chǎng)約束，而對(duì)另一種偏振光的約束能力則相對(duì)較弱。如果要同時(shí)獲得對(duì)兩種偏振光的強(qiáng)模場(chǎng)限制，則需要引入新的狹縫結(jié)構(gòu)和導(dǎo)光機(jī)制。

為了同時(shí)獲得對(duì)兩種偏振光的強(qiáng)模場(chǎng)限制，本文研究了一種新型的硅基狹縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的垂直狹縫或水平狹縫不同，該結(jié)構(gòu)的狹縫區(qū)域呈T形結(jié)構(gòu)。其本身同時(shí)具備橫向和縱向的低折射率介質(zhì)層，有望同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)TE和TM兩種偏振模式的較強(qiáng)光場(chǎng)限制。

2 T形狹縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本節(jié)中具體研究的T形狹縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該波導(dǎo)由一個(gè)傳統(tǒng)硅板結(jié)構(gòu)和位于其下方、與之緊鄰的垂直介質(zhì)狹縫結(jié)構(gòu)共同組成，兩結(jié)構(gòu)之間的低折射率緩沖層連同水平狹縫中央的低折射率介質(zhì)層形成了T字形的狹縫區(qū)域。圖中，組成T形狹縫結(jié)構(gòu)的垂直狹縫波導(dǎo)的硅板寬度和高度分別為w1和h1，狹縫區(qū)域的寬度則為ts。位于狹縫的SOI波導(dǎo)的硅層的寬度和高度分別為w2和h2，用于隔離兩種結(jié)構(gòu)的低折射率介質(zhì)緩沖層的厚度為ts。此處假定T形狹縫波導(dǎo)中的高折射率和低折射率結(jié)構(gòu)分別采用硅和二氧化硅材料。在實(shí)際加工中，可以利用化學(xué)氣相沉積等方式完成對(duì)整個(gè)波導(dǎo)樣品的制備。

圖1 倒T形狹縫波導(dǎo)三維結(jié)構(gòu)示意圖

3 狹縫波導(dǎo)特性分析

根據(jù)耦合模理論，構(gòu)成T形狹縫波導(dǎo)的垂直狹縫結(jié)構(gòu)和其下方的硅平板波導(dǎo)各自支持的介質(zhì)導(dǎo)波模式之間的耦合至少可以產(chǎn)生兩種新的介質(zhì)狹縫模式，包括準(zhǔn)TM模式和準(zhǔn)TE模式。在波長(zhǎng)固定、所有材料折射率不變的情況下，垂直狹縫波導(dǎo)所支持的TM和TE模式的有效折射率由三個(gè)變量決定，即寬度w1、高度h1以及狹縫寬度ts。硅平板結(jié)構(gòu)所支持的介質(zhì)導(dǎo)波模式則由其自身寬度w2和高度h2決定。此外，緩沖層的厚度ts也是影響復(fù)合系統(tǒng)所支持的狹縫模式特性的關(guān)鍵因素。

本文給出了1550nm波長(zhǎng)下倒T形狹縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)所支持的準(zhǔn)TM和準(zhǔn)TE模式的電場(chǎng)分布，如圖2所示。圖中波導(dǎo)的具體參數(shù)為：w1=175nm，w2=400nm，h2=125nm，h1= 225nm和ts=50nm?？梢钥闯?，準(zhǔn)TM模式的光場(chǎng)主要限制在水平狹縫區(qū)域內(nèi)，并表現(xiàn)出顯著的場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)。而準(zhǔn)TE模式對(duì)應(yīng)的局域場(chǎng)增強(qiáng)則主要發(fā)生在垂直狹縫區(qū)域中，且其光場(chǎng)與下方的硅板結(jié)構(gòu)有相對(duì)較大的重疊度。對(duì)于準(zhǔn)TM模式，T形低折射率狹縫區(qū)域限制了約27.3%的光功率。而在準(zhǔn)TE模式的情形下，整個(gè)狹縫區(qū)域內(nèi)的歸一化光功率值也達(dá)到了27.4%。該結(jié)果表明，兩種偏振的狹縫模式均具備很強(qiáng)的光場(chǎng)限制能力。本文同時(shí)研究了狹縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)對(duì)模式雙折射以及限制因子等特性的影響。模式雙折射定義為同一波導(dǎo)所支持的兩種不同偏振模式之間的有效折射率差，計(jì)算公式如下：

圖2 T形波導(dǎo)所支持的基模的電場(chǎng)分布圖

B=neff(TE)-neff(TM) （1）

其中 neff(TE)和neff(TM)分別表示TE和TM偏振模式的有效折射率。

模式雙折射隨垂直狹縫高度變化的結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯?，在h1從100nm增加到300nm的過程中，模式的雙折射經(jīng)歷了符號(hào)的變化。狹縫模式的特性由原先的超大正雙折射逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)雙折射。

圖3 模式雙折射隨h1的變化曲線

該結(jié)果表明，通過改變垂直狹縫的高度可以對(duì)兩種狹縫模式的有效折射率實(shí)現(xiàn)不同程度雙折射的調(diào)節(jié)，從而使得TM模式的有效折射率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于（或大于）TE模式的有效折射率。圖3所顯示的結(jié)果還揭示了近零雙折射或零雙折射特性的實(shí)現(xiàn)條件。

本文進(jìn)一步研究T形狹縫波導(dǎo)的寬度及其下層硅板的高度對(duì)于雙折射的影響，相關(guān)結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯觯掷m(xù)增加硅板的寬度w2，對(duì)應(yīng)的模式雙折射將經(jīng)歷符號(hào)的變化，從負(fù)雙折射逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槌笳p折射。超大雙折射可以與狹縫區(qū)域內(nèi)較強(qiáng)的模場(chǎng)限制能力同時(shí)實(shí)現(xiàn)。而當(dāng)狹縫波導(dǎo)具備合適的幾何尺寸時(shí)，同樣也可以實(shí)現(xiàn)近零雙折射。

圖4 模式雙折射隨w2的變化曲線

4 總結(jié)

為了同時(shí)獲得對(duì)兩種偏振光的強(qiáng)模場(chǎng)限制，本文研究了一種新型的T型硅基狹縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果表明，T形狹縫波導(dǎo)可以同時(shí)支持兩種高性能狹縫模式的傳輸，并且T形狹縫結(jié)構(gòu)可以提供對(duì)兩種偏振光的較強(qiáng)模場(chǎng)限制，實(shí)現(xiàn)對(duì)雙折射特性的有效調(diào)節(jié)。

[1]王愛華,蔡九菊.亞波長(zhǎng)周期性金屬狹縫結(jié)構(gòu)的透射行為[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013年01期.

[2]王繼成,梁修業(yè),夏秀山等.基于填充液晶的金屬狹縫陣列結(jié)構(gòu)對(duì)光束的調(diào)控[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展,2014,51(12): 122401.

[3]肖司淼.基于狹縫波導(dǎo)的光器件研究[D].浙江大學(xué)博士論文,2010.

[4]李瑭,王東旭,錢如一等.高折射率差納米狹縫波導(dǎo)的電場(chǎng)分析[J].光子學(xué)報(bào), 2013（12）.

王冠軍，1983出生，博士，講師，碩士生導(dǎo)師，研究方向：光纖傳感。