1.什么是光波导

在均匀介质中，如空气中，有限大小的光束随着传播方向是不断扩散的。如图1.1所示。光束在向前传播过程中的光场分布是不断变化的。传播一定距离之后，光束会发散，导致光能量耗散。

图1.1

但是如果在均匀介质1（折射率为n1）两侧分别放置一个折射率为n2（n2n1）的介质，组成一个三明治结构。在这样一个具有约束的结构中，存在一些特定的光场分布Eg(x,y)，使得沿着Z方向传播过程中Eg(x,y)保持不变（如图1.2）。这样的结构称为光波导，满足上述条件的光场分布Eg(x,y)称为该光波导的本征模场。

图1.2

光波导的概念可以用射线光学中的全反射解释。从外部进入到中间层（称为波导的芯层）的光线，当入射到n1-n2界面的角度θasin(n2/n1)时，会发生全反射，从而一直被限制在芯层中向前传播。如图1.3所示：

图1.3

光波导结构中，本征模场的分布不随传播方向变化，因此理论上只要n2-n1-n2的波导结构不发生改变，光波导中的本征模场可以向前传播无限远而不会发生能量的耗散。一个典型的光波导的例子是光导纤维，光导纤维是一种同轴的结构，如图1.4所示。现代光纤通信系统中，通过光导纤维一次可以将光传输数十乃至几百千米而保持光斑尺寸不变。

图1.4

在光波导系统中，可以存在不止一个稳定的向前传播光场分布，或者说不止一个本征模式。通常我们将只有一个本征模式存在的光波导称为单模波导，超过一个模式的光波导称为多模波导。单模波导在光子集成芯片中具有极为重要的地位。

在光子集成芯片中，通常使用的光波导结构有条形光波导和脊形光波导两种。其截面如图1.5所示。条形光波导中，芯层(n1)四周完全被包层(n2)包围，而在脊形光波导中，芯层(n1)有一部分是向两边无限延伸的平板结构。

图1.5

2.光波导的损耗

理想的光波导本征模场可以稳定向前传播，光能量不会随着传播衰减。但是在实际制备的光波导中，由于存在诸多因素，即使是本征模场，其能量也会随着传播距离增大而下降，称为光波导的损耗，光波导损耗主要由以下几个方面组成：

1）吸收损耗：

吸收损耗是由于材料本身对光的吸收引起的，例如对于硅、磷化铟等半导体材料，光子能量如果超过材料禁带宽度，会激发半导体材料能级跃迁，产生极大的吸收损耗。

即使是对于SiO?一类的非晶体材料，由于在制备过程中产生的某些化学键，也可能存在吸收损耗，例如SiO?波导制备过程中残留的H元素会和O元素形成O-H键，导致1.4um处产生比较大的吸收峰（水峰）。

2）缺陷损耗：

波导制备过程中，由于杂质和工艺控制等因素，制作出的波导结构并不是完全均一的，而是会存在一定比例的缺陷。这些缺陷会对入射光波产生散射，消耗掉一部分光能量。华裔科学家高锟因为对光导纤维中杂质的控制，将光纤的损耗降低到了可用的水平，从而奠定了现代光纤通信的基础并于年获得了诺贝尔物理学奖。

3）散射损耗：

理想的光波导芯层和包层界面是光滑的，但是实际情况并非如此。由于制备工艺的一些限制，芯层和包层之间存在不光滑界面。不光滑的界面会散射波导中传播的光，从而产生损耗。特别是对于硅波导一类的高折射率差光子集成芯片，散射损耗是最主要的损耗来源。

图2.1

4）弯曲损耗：

实际芯片中绝大多数光波导并不是直的，而是要进行各种弯曲。当光波导发生弯曲时，原有的n2-n1-n2的空间分布会被破坏，导致部分光能量泄露到波导外面，产生损耗。为了减小弯曲波导引入的损耗，通常需要增加折射率差，增加波导弯曲半径，或者引入特殊的弯曲形状来实现。如图2.2所示，当折射率差0.04时，光场很好的被限制在了弯曲的S形波导中，而当折射率差为0.01时，很大一部分光发生了泄露。

图2.2

3.光波导的双折射

通常光波导存在至少2类本征模，一种称为横电模(TE)，另一种称为横磁模(TM)。由于材料、工艺、结构等方面的影响，TE模和TM模的传播常数或者模式折射率通常并不相等，称为双折射，引起光波导器件的偏振相关问题。例如在需要窄带滤波的一类器件中，双折射会导致TE和TM对应的滤波器中心波长分离，无法实现对任意输入偏振的滤波功能。根据来源，波导的双折射可以分为三种：

1）材料双折射：

材料双折射是指波导材料本身具有各向异性，例如对于铌酸锂波导，铌酸锂本身是晶体，折射率在不同方向不一致，从而导致TE和TM的折射率不同。

2）应力双折射：

对于非晶材料，理论上不存在材料双折射。但是光波导是平面结构，制备过程中不同层之间容易引入应力，这种应力在不同方向上的不一致会导致折射率的各向异性（弹光效应）。对于SiO?一类的非晶材料波导，应力是引起双折射的主要的来源。

3）结构双折射：

即使组成波导的材料全部是各向同性的，由于波导结构的不对称，仍然可能引起双折射，称为结构双折射。例如典型的对于硅波导，长宽比不同的硅波导结构双折射差异可以很大。

4.光波导的制备工艺

不同材料体系的光波导芯片的制备工艺有一定的差异。下面以挚感光子所采用的硅基SiO?光波导为例来说明光子集成芯片的制备工艺流程：

图4.1

1）首先将硅片放入氧化炉中进行湿法氧化，硅片两侧会形成致密的SiO?薄膜。

2）在硅片正面通过PECVD(等离子体增强化学气相沉积)设备，沉积一层纯SiO?，作为波导的下包层。

3）继续使用PECVD沉积一层特殊掺杂的SiO?，作为波导的芯层，掺杂的目的是使得芯层折射率高于包层。

4）然后旋涂光刻胶，并进行光刻、显影，将掩模版上设计的图案转移到光刻胶上。

5）以光刻胶作为掩膜材料，使用等离子体刻蚀机进行刻蚀，将光刻胶的图案转移到芯层。

6）去除光刻胶。

7）继续沉积一层SiO?作为上包层。

8）芯片进行退火，消除上包层沉积过程中形成的空洞。

至此，芯片的晶圆制作过程全部完成，后面还需要经过切割、研磨抛光等步骤才能获得独立的芯片。

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