硅基狹縫脊形波導(dǎo)的幾何尺寸對光場分布的影響

劉若男，李志華，李　彬，唐　波，張　鵬，余金中，3，吳次南

(1.貴州大學(xué) 大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.中國科學(xué)院微電子研究所 微電子器件與集成技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029；3.中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所，北京 1001083)

隨著先進(jìn)集成電路技術(shù)的更高要求，人工智能，物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)的發(fā)展速度加快了，但接近其物理極限的摩爾定律將所有這些發(fā)展置于瓶頸[1]。為了獲得高帶寬和數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈㈦娮悠骷斜匾紤]光子學(xué)[2]。此外，硅技術(shù)是真正的CMOS兼容低成本。因此，將硅光子集成技術(shù)與現(xiàn)有微電子技術(shù)相結(jié)合成為解決瓶頸問題的關(guān)鍵，為延續(xù)摩爾定律開辟了新的發(fā)展方向[3-4]。因此硅基光電集成已成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。

波導(dǎo)可以傳播頻率較高的電磁波，例如毫米波和厘米波，而且功率容量較大，這使得波導(dǎo)成為微波波段常用的傳輸線。基于全內(nèi)反射(Total Internal Refrection,TIR)原理，光在波導(dǎo)中傳輸時(shí)通常要求波導(dǎo)的芯區(qū)折射率必須大于周圍包層的折射率[5]，而且折射率的差越大，對光的限制能力就越強(qiáng)。因此硅和二氧化硅材料經(jīng)常用來制作小型化的器件，這會帶來另一個(gè)問題，硅材料會影響器件的調(diào)制效應(yīng)，限制器件的靈活性[6]，因此出現(xiàn)了低折射光波導(dǎo)的研究，例如抗諧振反射光波導(dǎo)、光子晶體[7-9]，但是它們利用干涉效應(yīng)所提供的外部反射不能完全統(tǒng)一，致使結(jié)構(gòu)中的固有模式為泄露模式，損耗很大。2004年，美國Cornell大學(xué)的Michal Lipson教授研究小組首次提出了狹縫波導(dǎo)[10]，該小組發(fā)現(xiàn)當(dāng)兩個(gè)高折射率波導(dǎo)靠近至幾十納米甚至幾納米時(shí)，光將被限制在中間低折射率狹縫介質(zhì)區(qū)中進(jìn)行傳輸，并通過理論和實(shí)驗(yàn)對此加以證實(shí)。……