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光波導
鎖定
- 中文名
- 光波導
- 外文名
- optical waveguide
- 別 名
- 介質光波導
- 波 長
- 介於0.8—1.6微米之間
光波導概念解釋
平面介質光波導是最簡單的光波導,它是用折射率為n2的硅(或砷化鎵,或玻璃)作基片,用微電子工藝在它上面鍍一層折射率為n1的介質膜,再加上折射率為n3的覆蓋層製成。通常取n1>n2>n3,以便將光波侷限在介質膜內傳播。條形介質光波導是在折射率為n2的基體中產生一個折射率為n1的長條,取n1>n2,以便將光波侷限在長條內傳播。這種光波導常用作光的分路器、耦合器、開關等功能器件。
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光波導的橫向尺寸比光的波長大很多時,光的波動性所產生的衍射現象一般可略去不計,可用幾何光學定律來處理光在其中的傳播問題。如集成光波導和階躍折射率光纖中,都是利用入射角大於臨界角使光在邊界上發生全反射,結果光便沿折線路徑在其中傳播。梯度折射率光纖中,則利用光逐漸往折射率大的方向彎曲的規律,使光線沿曲線路徑在其中傳播。
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光波導的橫向尺寸與光的波長相差不大時,光的波動性所產生的衍射現象便不能略去,需用光的電磁理論來處理光在其中的傳播問題。即由麥克斯韋方程組出發,列出邊界條件,求解光波的電場和磁場在光波導內的分佈和傳播特性,從而解決有關問題。計算表明,對於一種給定形狀和折射率的光波導,能在其中傳播的光波,其電場和磁場的分佈有各種不同形式,把每一種形式叫作一種傳輸模,簡稱為模。每種模都存在一個截止頻率,如果光波的頻率低於這個截止頻率,這種模的光就不能在該光波導中傳播。光纖的直徑越大能傳輸的模數就越多。能傳輸多種模的光纖叫作多模光纖;只能傳輸一種模的光纖叫作單模光纖。多模光纖常用於近距離傳輸,如內窺鏡等;單模光纖則用於遠距離通信。
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光波導結構
現代應用的光頻的波長介於0.8—1.6微米之間。實用光波導有光導纖維(見光纖光纜)、薄膜波導、帶狀波導等三類。光導纖維的一個傳輸特性是衰減很小、頻帶很寬、抗電磁干擾,主要用於通信;光導纖維的另一傳輸特性是對外界的温度和壓力等因素敏感,因而可製成光導纖維傳感器,用於測量温度、壓力、聲場等物理量。
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薄膜波導有三層介質,中層的薄膜厚度約1—10微米,上層(通常即為空氣)和底層介質的折射率n0與n2都小於n1。當薄膜的寬度為有限尺寸時,稱為帶狀波導。光波能量主要集中在W×d的矩形帶狀結構中。薄膜波導與帶狀波導主要用於製作有源和無源的光波導元件,如激光器、調製器和光耦合器等。它們採用半導體薄膜工藝,適合於製成平面結構的集成光路(即光集成部件)。
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光波導傳輸特性
光纖的傳輸衰減很小,頻帶很寬。例如,在1.5微米波段衰減可小到0.2分貝/公里,頻帶寬達108/公里數量級(多模光纖)或109赫/公里數量級(單模光纖),如此優良的性能是其他傳輸線難以達到的,因而光纖可用於大容量信號的遠距離傳輸。薄膜波導和帶狀波導傳輸特性及其分析與光纖類似。由於它們主要用來構成元件,對傳輸衰減與頻帶要求並不嚴格。嚴格求解光波導中的電磁場的矢量解較為困難,故通常用標量近似法、射線法等近似解法分析其傳輸特性,包括各個模式的場分佈、色散以及模式之間的耦合等。
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光波導平面光波導材料
PLC光器件一般在六種材料上製作,它們是:鈮酸鋰(LiNbO3)、Ⅲ-Ⅴ族半導體化合物、二氧化硅(SiO2)、SOI(Silicon-on-Insulator,絕緣體上硅)、聚合物(Polymer)和玻璃。
鈮酸鋰波導是通過在鈮酸鋰晶體上擴散Ti離子形成波導,波導結構為擴散型。InP波導以InP為稱底和下包層,以InGaAsP為芯層,以InP或者InP/空氣為上包層,波導結構為掩埋脊形或者脊形。二氧化硅波導以硅片為襯底,以不同摻雜的SiO2材料為芯層和包層,波導結構為掩埋矩形。SOI波導是在SOI基片上製作,稱底、下包層、芯層和上包層材料分別為Si、SiO2、Si和空氣,波導結構為脊形。聚合物波導以硅片為稱底,以不同摻雜濃度的Polymer材料為芯層,波導結構為掩埋矩形。玻璃波導是通過在玻璃材料上擴散Ag離子形成波導,波導結構為擴散型。
光波導平面光波導工藝
以上六種常用的PLC光波導材料中,InP波導、二氧化硅波導、SOI波導和聚合物波導以刻蝕工藝製作,鈮酸鋰波導和玻璃波導以離子擴散工藝製作,下面分別以二氧化硅波導和玻璃波導為例,介紹兩類波導工藝。
二氧化硅光波導的製作工藝分為七步:
1)採用火焰水解法(FHD)或者化學氣相澱積工藝(CVD),在硅片上生長一層SiO2,其中摻雜磷、硼離子,作為波導下包層;
2)採用FHD或者CVD工藝,在下包層上再生長一層SiO2,作為波導芯層,其中摻雜鍺離子,獲得需要的折射率差;
3)通過退火硬化工藝,使前面生長的兩層SiO2變得緻密均勻。
4)進行光刻,將需要的波導圖形用光刻膠保護起來;
5)採用反應離子刻蝕(RIE)工藝,將非波導區域刻蝕掉;
6)去掉光刻膠,採用FHD或者CVD工藝,在波導芯層上再覆蓋一層SiO2,其中摻雜磷、硼離子,作為波導上包層;
7)通過退火硬化工藝,使上包層SiO2變得緻密均勻。
二氧化硅波導工藝中的幾個關鍵點:
1)材料生長和退火硬化工藝,要使每層材料的厚度和折射率均勻且準確,以達到設計的波導結構參數,儘量減少材料內部的殘留應力,以降低波導的雙折射效應;
2)RIE刻蝕工藝,要得到陡直且光滑的波導側壁,以降低波導的散射損耗;
3)RIE刻蝕工藝總會存在Undercut,要控制Undercut量的穩定性,作為布版設計時的補償依據。
玻璃光波導的製作工藝分為五步:
1)在玻璃基片上濺射一層鋁,作為離子交換時的掩模層;
2)進行光刻,將需要的波導圖形用光刻膠保護起來;
3)採用化學腐蝕,將波導上部的鋁膜去掉;
4)將做好掩模的玻璃基片放入含Ag+-Na+離子的混合溶液中,在適當的温度下進行離子交換,Ag+離子提升折射率,得到溝道型光波導;