一種T型硅基亞波長狹縫波導設計與特性分析

中北大學 山西省光電信息與儀器工程技術研究中心 王冠軍 譚緒祥 王志斌

一種T型硅基亞波長狹縫波導設計與特性分析

中北大學 山西省光電信息與儀器工程技術研究中心 王冠軍 譚緒祥 王志斌

為了同時實現對兩種偏振光的強模場限制，本文提出了一種T型硅基狹縫波導結構，并研究了該狹縫波導結構的模式特性。研究結果表明，與傳統的水平或垂直介質狹縫波導相比，T形狹縫波導可以同時支持兩種高性能狹縫模式的傳輸，實現對兩種偏振光的較強模場限制。

T形狹縫波導；模式雙折射；硅基波導

1 引言

近年來，硅基結構以其低廉的成本、優良的導波特性在光傳導、全光信息處理等領域顯示出了巨大的應用前景。但硅基波導傳輸光場主要集中在硅芯中，其導波特性受到衍射極限的制約。另外狹縫波導自2004年提出以來，就以其獨特的導波形式和超強的光場限制能力引起了人們的廣泛關注。硅基狹縫波導可以在納米尺度的低折射率介質中實現光場的限制與傳輸，從根本上擺脫了衍射極限的束縛。同時，狹縫波導的概念也逐漸延伸到其他波導形式。2007年英國巴斯大學Wiederhecker等人在微結構光纖中引入了納米級尺度的空氣孔，并通過理論模擬及實驗測量首次證明了光子晶體光纖中狹縫效應的存在。

目前文獻中所報道的各類傳統狹縫平板波導可以分成垂直狹縫和水平狹縫兩種結構。這兩種波導均只能在其自身的狹縫區域實現對一種偏振光（TE偏振或TM偏振）的較強模場約束，而對另一種偏振光的約束能力則相對較弱。如果要同時獲得對兩種偏振光的強模場限制，則需要引入新的狹縫結構和導光機制。

為了同時獲得對兩種偏振光的強模場限制，本文研究了一種新型的硅基狹縫波導結構。與傳統的垂直狹縫或水平狹縫不同，該結構的狹縫區域呈T形結構。其本身同時具備橫向和縱向的低折射率介質層，有望同時實現對TE和TM兩種偏振模式的較強光場限制。

2 T形狹縫波導結構設計

本節中具體研究的T形狹縫波導結構如圖1所示。該波導由一個傳統硅板結構和位于其下方、與之緊鄰的垂直介質狹縫結構共同組成，兩結構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層形成了T字形的狹縫區域。圖中，組成T形狹縫結構的垂直狹縫波導的硅板寬度和高度分別為w1和h1，狹縫區域的寬度則為ts。位于狹縫的SOI波導的硅層的寬度和高度分別為w2和h2，用于隔離兩種結構的低折射率介質緩沖層的厚度為ts。此處假定T形狹縫波導中的高折射率和低折射率結構分別采用硅和二氧化硅材料。在實際加工中，可以利用化學氣相沉積等方式完成對整個波導樣品的制備。

圖1 倒T形狹縫波導三維結構示意圖

3 狹縫波導特性分析

根據耦合模理論，構成T形狹縫波導的垂直狹縫結構和其下方的硅平板波導各自支持的介質導波模式之間的耦合至少可以產生兩種新的介質狹縫模式，包括準TM模式和準TE模式。在波長固定、所有材料折射率不變的情況下，垂直狹縫波導所支持的TM和TE模式的有效折射率由三個變量決定，即寬度w1、高度h1以及狹縫寬度ts。硅平板結構所支持的介質導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也是影響復合系統所支持的狹縫模式特性的關鍵因素。

本文給出了1550nm波長下倒T形狹縫波導結構所支持的準TM和準TE模式的電場分布，如圖2所示。圖中波導的具體參數為：w1=175nm，w2=400nm，h2=125nm，h1= 225nm和ts=50nm。可以看出，準TM模式的光場主要限制在水平狹縫區域內，并表現出顯著的場增強效應。而準TE模式對應的局域場增強則主要發生在垂直狹縫區域中，且其光場與下方的硅板結構有相對較大的重疊度。對于準TM模式，T形低折射率狹縫區域限制了約27.3%的光功率。而在準TE模式的情形下，整個狹縫區域內的歸一化光功率值也達到了27.4%。該結果表明，兩種偏振的狹縫模式均具備很強的光場限制能力。本文同時研究了狹縫波導結構的幾何參數對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所支持的兩種不同偏振模式之間的有效折射率差，計算公式如下：

圖2 T形波導所支持的基模的電場分布圖

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果如圖3所示。可以看出，在h1從100nm增加到300nm的過程中，模式的雙折射經歷了符號的變化。狹縫模式的特性由原先的超大正雙折射逐漸轉變為負雙折射。

圖3 模式雙折射隨h1的變化曲線

該結果表明，通過改變垂直狹縫的高度可以對兩種狹縫模式的有效折射率實現不同程度雙折射的調節，從而使得TM模式的有效折射率遠遠小于（或大于）TE模式的有效折射率。圖3所顯示的結果還揭示了近零雙折射或零雙折射特性的實現條件。

本文進一步研究T形狹縫波導的寬度及其下層硅板的高度對于雙折射的影響，相關結果如圖4所示。可以看出，持續增加硅板的寬度w2，對應的模式雙折射將經歷符號的變化，從負雙折射逐漸轉變為超大正雙折射。超大雙折射可以與狹縫區域內較強的模場限制能力同時實現。而當狹縫波導具備合適的幾何尺寸時，同樣也可以實現近零雙折射。

圖4 模式雙折射隨w2的變化曲線

4 總結

為了同時獲得對兩種偏振光的強模場限制，本文研究了一種新型的T型硅基狹縫波導結構。研究結果表明，T形狹縫波導可以同時支持兩種高性能狹縫模式的傳輸，并且T形狹縫結構可以提供對兩種偏振光的較強模場限制，實現對雙折射特性的有效調節。

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王冠軍，1983出生，博士，講師，碩士生導師，研究方向：光纖傳感。