（光学工程专业论文）基于等离子体材料和硅的亚波长光子器件的研究.pdf

摘要 如何减小波导和器件的尺寸是如今集成光学中存在的一个关键问题。由于受到衍 射极限的限制，光子学器件很难缩小到波长以下的范围之内，本论文旨在，从理论上 和实验上。研究一些波长以及纳米尺度下的集成光子学器件，我们讨论了用于减少 光子学器件尺寸或者增加其功能性的一些方法，其中包括：基于硅纳米线，光子晶 体、表面等离子体的波导及其相关器件。 首先，我们详细介绍了一些用于求解麦克斯韦方程组得数值计算方法，包括：时 域有限差分法，以及全矢羞有限差分模式解前者可以用来处理光场与介质结构相互 作用的问题；后者主要用来求解一个波导结构中的本征模式场分布和传播常数。 接下来，我们对加工亚波长或纳米集成光子学器件的工艺方法进行了回顾。这些 工艺主要是基于超净室的一些设备，其中主要包括：薄膜沉积、电子束光刻、以及刻 蚀。提出了新型的无定形硅s i d i 结构。分析了各个工艺参数对实际制作结构的影响。 我们还介绍了用于测试加工好的光子学器件的端面耦合测试方法。 我们在理论上研究了表面等离子体波导及器件。使用表面等离子体波导可以将光 场限制在真正意义上的亚波长范围之内。分析了一些相应的非常小型的光予学器件， 如：9 0 。弯曲，定向耦合器，共振环滤波器。我们还通过一个实例，即：分支耦合器， 验证了使用微波理论来指导设计表面等离子体波器件的可能性，为表面等离予体波器 件提供了一个全新的设计途径。我们还分析了金属包层的扫描近场光学探针的一些性 质，提出了对于等离子体探针的一种新型激励方式。 我们研究了硅纳米线波导以及相关器件。分析制作了具有1 1r i m 和1 6r i m 通道间 隔的阵列波导光栅( 解) 复用器。在该器件中，我们使用重叠型自由传播区的设计， 进一步减小了器件的尺寸。我们还设计制作了刻蚀衍射光栅器件。这些基于硅纳米线 波导的器件尺寸通常为几百微米左右，比传统的二氧化硅上的相应期间缩小了l 2 个 数量级。研究了各种二维平板型光子晶体波导。基于一个具有负折射效应的硅柱光子 晶体，我们提出了一种新型的光子晶体偏振分束器设计。经测试，该器件的工作波长 范围很大，而且在整个范围内的消光比都可达到约1 5d b 。 i 中文摘要 关键词：纳米光予学、时域有限差分法、有限差分模式解、无定形硅、硅纳米线、光 子晶体、表面等离子体、近场扫描光学显微镜 a b s t r a c t s i z e r e d u c t i o n i s a k e y i s s u e i n t h e d e v e l o p m e n t o f c o n t e m p o r a r y i n t e g r a t e d p h o t o n i c s t h i st h e s i si sm a i n l yd e v o t e dt os t u d ys o m ei n t e g r a t e dp h o t o n i cc o m p o n e n t si ns u b - w a v e l e n g t ho rn a n o m e h i cs c a l e s , b o t ht h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l y t h ep o s s i b l e a p p r o a c h e st or e d u c et h es i z e so rt oi n c r e a s et h ef u n c t i o n a l i t i e so fp h o t o m cc o m p o - n e n t sa r ed i s c u s 她i n c l u d i n gw a v e g u i d e sa n dd e v i c e sb a s e do ns i l i c o nn a n o w i l 髓, p h o t o n i cc r y s t a l s , s u r f a c ep l a s m o n s , a n d8 0 l n e n e a r - f i e l dp l a s m o m cc o m p o n e n t s f i r s t , s o m e n u m e r i c a l m e t h o d s , i n c l u d i n g t h e f i n i t e - d i f f e r e n c e t i m e - d o m a i n m e t h o d a n d t h e f u l l - v e c t o r i a l f i n i t e - d i f f e r e n c e m o d e s o l v e r , a l e i n t r o d u c e d t h e f i n i t e - d i f f e r e n c e t i m e - d o m a i n m e m o d c a n b e u s e d t o i n v e s f i g a 把t h e i n t e r a c t i o n o f l i g h t f i e l d s w j t h v i r - t u a l l ya r b i t r a r ys t r u c t u r e s t h ef u l l - v e c t o r i a lf i n i t o - d i f f e r e n c en k d es o l v e ri sm a i n l y u s e df o rc a l c u l a t i n gt h ee i g e n m o d e so faw a v e g u i d es t r u c t u r e 田地f a b r i c a t i o na n dc h a r a c t e r i z a t i o nt e c h n o l o g i e sf o rn a n o - p h o t o n i cc o m p o n e n t s a r er e v i e w e d t h ef a b r i c a t i o n sa r em a i n l yb a s e do ns e m i c o n d u c t o rc l e a n r o o mf a c i l i - t i e s , w h i c hi n c l u d et h i nf i l md e p o s i t i o n , e l e c t r o nb e a m1 i t h o g r a p h y , a n de t c h i n g t h e c h a r a c t e r i z a t i o ns e t u pw i t ht h ee n d - f i r ec o u p l i n gi sa l s od e s c r i b e d s 山白c ep l a s m o nw a v e g u i d e sa n dd e v i c e sa r ea n a l y z e dt h e o r e t i c a l l y w i t hs u r f a c e p l a s m o n st h e1 i g h tf i e l dc a nb e c o n f i n e di nat r u es u b - w a v e l e n g t hd i m e n s i o n s o m er l a t e dp h o t o n i cd e v i c e s , e g ，9 0 。b e n d s , 删o n a lc o u p l e r s ，a n dr i n gl l a s o n a t o r s , a r e s t u d i e d w ea l s os h o wt h a ts o m ei d e a sa n dp r i n c i p l e so fm i c r o w a v ed e v i c e s , e g ， ab r a n c h - l i n ec o u p l e r , c a nb eb o r r o w e df o rb u i l d i n gc o r r e s p o n d i n gs u r f a c ep l a s m o n b a s e dd e v i c e s m e t a l - c o a t e df i b e rp r o b e sa r e a n a l y z e da n dd e s i g n e d an e w s c h e m e o fi l l u m i n a t i o n - m o d en e a r - f i e l ds c a n n i n go p t i c a lm i c r o s c o p eh a sb e e ni n t r o d u c e db y e m p l o y i n g ap l a s m o np r o b ew i t ht h et m 0 1m o d ee x a l t a t i o n s i l i c o nn a n o w i r ew a v e g u i d e sa n dr e l a t e dd e v i c e sa 艚s t u d i e d a r r a y e dw a v e g - u i d eg r a t i n g sw i t h1 1n ma n d1 6l l n lc h a n n e ls p a c i n ga r ef a b r i c a t e da n dc h a r a c t e r - i z e d am o r ec o m p a c td e s i g nw i t ht h eo v e r l a p p e df r e ep r o p a g a t i o nr e g i o n sh a sb e e n i i v 英文摘要 e m p l o y e df o rt h e s ea r r a y e dw a v e g u i d eg r a t i n g s e t c h e dd i f f r a c t i o ng r a t i n g sa r e a l s o d e s i g n e da n d f a b r i c a t e d t h et y p i c a ld i m e n s i o no ft h e s ed e v i c e sa r es e v e r a lh u n d r e d m i c r o n , w h i c h i s1 - - 2o r d e ro fm a g n i t u d es m a l l e rt h a nc o n v e n t i o n a ls i l i c ab a s e do n e s v a r i o u sp l a n a rp h o t o n i cc r y s t a lw a v e g u i d e sa r ea n a l y z e da n dc h a r a c t e r i z e d ac o m o p a c t p o l a r i z a t i o n b e a m s p l i t t e r e m p l o y i n g p o s i t i v e n e g a t i v e r e f r a c t i o n b a s e d o n a p h o - t o n i cc r y s t a lo fs i l i c o np i l l a r si sd e s i g n e da n dd e m o n s t r a t e d e x t i n c t i o nr a t i oo f 一1 5d b i sa c h i e v e de x p e r i m e n t a l l yi naw i d ew a v e l e n g t hr a n g e k e y w o r d s ：n a n o - p h o t o n i c s , f i n i t e - d i f f e r e n c et i m e d o m a i nm e t h o d , f i n i t e - d i f f e r e n c e m o d es o l v e r , a m o r p h o u ss i l i c o l l rs i l i c o nn a n o w i r e , p h o t o n i cc r y s t a l , s u r f a c ep l a s m o n , n e a r - f i e l ds c a n n i n go p t i c a l m i c r o s c o p e 第1 章绪论 1 1 光子学的发展 光学( o p t i c s ) 作为物理学的一个分支，它可以定义为研究光的传播及其与物质 的相互作用的一个学科。光光学研究的主要物质一实际上是一种电磁波辐射，其波 长从紫外线( 约5 0r i m ) 一直到远红外( 约1m m ) 。光学的研究可以一直追溯到公元 前2 8 0 年的古希腊时代。上个世纪初，随着麦克斯韦( m a x w e l l ) 方程组以及量子力学 的建立，人们对光的本质的认识提升到了一个新的高度。许多光学方面的关键性研究 成果，促进了近代光学技术及应用的飞速发展。其中，第一个革命性的研究无疑属于 激光的发明【1 】，它使我们第一次得到了高相干性、高亮度的光源。光学技术的第二次 飞跃来自于半导体光器件的研发，如：半导体激光器，探测器等，这使得高集成度， 高效率的光学器件成为可能。超低损耗光纤的问世促使了光学技术，特别是光通信技 术，的最后一次飞跃。 随着这些新技术和器件的发展，以及与其他学科的交叉应用，逐渐出现了一些新 的光学分支，如：光电子学、景子光学、导波光学等等。这促使我们不得不扩展原有 的传统光学的概念，以包含这些新兴的内容。光予学( p h o t o n i e s ) 由此而生。经过最 近几十年的发展，它以成为如今发展最快的几个学科之一从广义上讲，光子学是指 以光子为媒介的一种信号的产生、处理、传输、以及探测的技术【2 】。其中，光通信 是人们广为所知的一个应用方向。但实际上，光子学还包括其他很多分支，如：光存 储、光显示、医疗仪器、照明、工业加工、军事、关计算等等。这些分支方向都有各 自的应用背景以及发展轨迹，由于篇幅的限制，很难在这里一一进行讲述本论文的 研究重点在于亚波长集成光学，因此，在这里我们先对这个分支方向进行一些介绍。 上个世纪中叶，随着第一个半导体三极管的发明，我们迎来了微电子时代。随 后，如著名的摩尔定律所预测的那样，集成电子电路迅速发展。三十年以后，我们大 部分的信息处理以及传输基本都依赖于集成电路，也即依赖于半导体对电子的控制。 但是，从二十世纪八十年代初期开始，光子开始逐渐吸引了人们注意。用光子作为 信息的载体，相比于电子，有许多好处。举例来说：光子通常具有很高的频率( 几 百讯z ) ，因此我们可以得到很高的传输带宽，而且，光子在传输过程中的损耗非 】 2 第1 章绪论 常小。对于电子来说，当传输频率升高的同时，作为传输媒质的金属导体的阻抗也越 来越大，也就是传输损耗会越来越大比如损耗相对较低的同轴电缆，当传输速率达 到1 0 0m h z 的时候，其损耗也要达到5d a k m 。因此，对于几十米的传输距离来说 ( 如：建筑物之间) ，同轴电缆还可以胜任，但对于距离为几千米的城市间通讯，其 损耗就显得非常大了。而且电子电缆使用大爱的金属，其造价往往非常昂贵。相反， 对于光子来说，其传输媒质可以是二氧化硅( 如：光纤) 成本非常便宜。如今，商 用的单模光纤在1 5 5 0 n l n 窗口下的损耗可达到约0 2 d b k m 。因此可以理解，为什么 光了器件在许多方面，特别是在远程通讯方面，逐渐替代了电子器件。 随着光子通讯市场的逐渐扩展，以及大规模、低成本加工生产的需要，自然而然 的，人们也想到，是否也能像集成电路一样，把有各个光子器件所组成的一个系统集 成在同一个基底上面。集成光学的概念应运而乍【3 】。集成光学中一个最重要的概念就 是光波导。光波导是有一种封闭的结构组成，其具有高折射率的芯层，和相对较低折 射率的包层组成。由于光线从高折射率介质到低折射率介质时，会发生全反射现象， 因此，光可以完全被限制在芯层内，而形成波导【4 l 。对于波导结构的研究，也是本论 文工作的重点。在接下来几章中我们将详细讲述。 总的来说，光学系统的发展可以分为j 个阶段，如表1 1 所示。第一个阶段可以 称为传统光学阶段。在这里，典型的光学器件，如：透镜、反射镜、棱镜等等，按照 一定的顺序对齐放在一起，从而形成了对光线进行某种处理的光学系统。这些系统的 大小通常在米的数量级( 如：望远镜、显微镜等等) 。随着加工技术的提升，这些光 学器件的尺寸被大大的缩小，加上使用更小型的光源，如：发光二极管、激光二极管 等，光学系统的大小可以被减小到几个厘米左右。这可以称为光学系统发展的第二个 阶段。在这两个阶段中，至关重要的是如何实现光学系统中各个光学器件的对准。这 个问题也通常是这些光学系统稳定性不高的主要原因之一。到了第一个阶段，也就是 集成光学阶段，通过将各个光学器件一次成型，并加工在同一块基底卜面，光学系统 中的对准性问题才得到很好的解决。与其它类型的光学系统相比，集成光学系统有以 下几个特点： 基于波动光学对于传统光学系统而言，其器件的尺寸比较大，可以只用光线理论米描 述。而在集成光学系统中，单模波导的尺j r 大多在几个微米左右，也就是几个波 长的大小。所以，在分析设计的时候，我们不得不以麦克斯韦方程组所描述的波 浙江大学博士学位论文 3 第一代第二代第三代 动理论来处理这时候的光场我们将在第2 章中详细介绍本论文工作中使用的理 论方法 对准的稽度和稳定性集成光学的一个最大的好处就在于其高精度的光学对准。各个器 件的相对位置，在制作掩模的时候就已经固定下来。即使要使用多套掩模，以如 今的工艺水平，其间的相对的对准精度也可以非常容易的控制在1 弘m 以下。而 且，由于各个器件是加工在同一块基底上面，因此，一旦制作封装好，其位置对 温度、压力、震动等环境因素的稳定性也非常高。 对导模控铜简单由于使用单模波导，因此可以较为简单的对光场进行控制，如：通过 电光效应、声光效应、磁光效应、热光效应、非线性效应等等。而如果使用多模 波导的话，由于各个模式的传输特性差异很大，很难对所有模式的同时进行有效 的控制。 低控翻电压由于波导的尺寸都在微米量级，对于通过电光效应控制的器件来说，这意 味着所需要的控制电压会大大降低。因为达到相同电场强度所需要的电压，与电 极之间的距离成正比。对于传统的光学系统，通常需要几千伏的控制电压，而对 于集成光学，之需要几伏即可 高控制速度同样，由于电极的大小也相应大大降低，这意味着电极的寄生电容也减少 了，也就是其开关速度可以很快对于集成光学来说，柏g h z s 的调制速度可 以非常容易得通过各种材料来实现。 高功率街度由于集成光学波导的截面尺寸很小，因此，与传统光学中使用的光束相 比，其中光的功率密度非常高。这使得，波导中的非线性效应可以非常明显。也 4第1 章绪论 就是说，在保持相对较低的总传输功率下，我们仍可以设计出一些功能型的非线 性效应器件。 小搴、轻颦通常在一块基底上，我们可以集成一个或多个集成光学器件。这使得这 些器件尺寸小、重量轻。 低成本集成光学的加工制作方法及过程，与集成电子芯片的工艺非常相似，同样使 用长膜、光刻、刻蚀等t 艺。因此，集成光学非常适合于大规模生产，以及市场 化。，我们将在第3 章，详细讲述本论文工作中所使用的工艺方法。 与集成电子学大多使用硅材料不同，在集成光学中，所使用的材料非常广泛，包 括；各种玻璃、铌酸锤晶体、硅基二氧化硅、半导体材料、聚合物等等。这些材料有 各自特有的性质，可以用来制作各种不同的光学器件。这些特性，我们总结于表1 2 中，并在以下进行详细讲述。 使用玻璃材料，是一种非常廉价的选择。在玻璃基底上加工波导结构，通常是利 用离子交换的方法【6 】。通过将玻璃基底浸入高温熔化后的单价盐中，使玻璃中的钠离 子( n a + ) ，与这些盐中的阳离子，如：k + 、a g + 、c s + 等等，进行交换。在不需要 交换的地方，通过预先加工好的掩模，将玻璃基底覆盖住，而没有覆盖的地方将发生 上述的离子交换，从而形成波导。但由于玻璃是一种无定形的材料，因此并不具备很 好的可控性，所以这种结构通常只被用来加工无源器件。 铌酸锤( l i n b 0 3 ) 晶体是另一种广泛应用于集成光学器件中的材料【7 l 。它 具有很高的电光系数以及压电效应，通过外加电场或表面声波( s u r f a c ea c o u s t i c w a v e ：s a w ) 的方法，可以实现非常高速的光开关、调制器，以及各种可控的光耦合 器、波分复用器等等。铌酸锂晶体还具有很高的非线性效应，同时它还是一个各项异 性的晶体。这使得我们可以实现，如：波长转换、二次谐波发生( s e c o n dh a r m o n i c g e n e r a t i o r cs h g ) 、光参量振荡( o p t i c a lp a r a m e t r i co s c i l l a t o r ：o p o ) 等等器件。 加工铌酸锂波导的方法通常有金属扩散、质子交换或者离子注入。如今，基于铌酸锂 的集成光学器件已经非常成熟，并已大量的应用于光通讯系统中。 硅基二氧化硅( s i l i c a - o n - s i l i c o n ) 结构基于硅( s i ) 材料，利用硅的各种掺杂的氧 化物或者氮化物形成折射牢差，如：二氧化硅( s i 0 2 ) 、氧氮化硅( s i o x n 。) 、氮化 硅( s i 3 n 4 ) 等【8 】。这些材料成本相对低廉，其加工工艺基本与集成电子的工艺过程相 浙江大学博士学位论文 5 表1 2 ：用于集成光学的各种材料及其特性 铌酸锂 质子交换、金属扩 散 工艺简单、电光效 应、非线性效应 n o t e ：p e c v d ：p l a s m ae n h a n c e dc h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ；f h d ：f l a m eh y d r o l y s i s d e p o s i t i o n ；l p c v d ：l o wp r e s s u r ec h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ；m b e ：m o l e c u l a rb e a m e p i t a x y ；l p e ：l i q u i dp h a s ee p i t a x y ；m o c v d ：m e t a l - o r g a n i cc h e m i c a lv a p o rd e p o s i - t i o n 波导结构图中的虚线表示光场的人致分布。 兼容，因此得到人们的广泛关注。制作波导和器件时，通常从一块单晶硅片开始，通 过高温氧化，或者沉积( 如：p e c v d ，f h d 等) 的工艺先制作出足够厚的低折射率的 纯二氧化硅缓冲层( 折射率约1 4 5 ) ，用来隔离光场和高折射率的硅基底。而后，在 缓冲层之上沉积高折射率的芯层，这个芯层可以是掺杂( 如：锗g e ，磷p 等) 的s i 0 2 或者是折射率更高的s i c 乙n ，或s i 3 n 4 ( 折射率1 4 5 - 2 1 ) ，然后通过光刻和刻蚀等工 6第1 章绪论 艺形成波导和器件的图形。最后再在上面覆盖上一层低折射率的二氧化硅上包层，以 形成保护。同样由于这里提到s i i d 2 也是一种无定形的材料，所以这种结构也通常只被 用来加工无源器件，以及一些速度较慢的，利用热光效益的光开关 在硅基二氧化硅结构的基础上，为了进一步提高折射率差人们想到了使用 s o i ( s i l i c o n - o n - i n s u l a t o r ) 材料，即，使用s i ( 折射率约3 5 ) 作为波导的芯层，以 及s i 0 2 或者空气作为包层。基于s o i 结构的脊型波导具有更小的波导截面【9 】，更利 于集成度的提高，并且可以进一步通过深刻蚀形成尺寸在几百纳米的硅纳米线波导 这足本论文工作的一个重点，会在以下的内容中详细介绍。 硅材料对光予器件来说，并不具有很好的光电性质，因为硅是间接带隙材料，因 此其发光效率非常低，并不适合于制作发光器件而且，硅的电光系数也很低，所以 也比较难于制作调制器等。所以，l i i - v 半导体材料( 主要是：i n p ，g a a s 等) 吸引 了人们的注意。这些材料是直接带隙材料，通过控制不同的元素的组合比例，其发光 光谱可以从可见光一直到红外波段，基本能满足如今照明、通讯等方越的需求。基 于l l i - v 材料，我们可以实现所谓的单片集成，也就是可以把整个系统，包括：光的 发射、调制，传输、探测、以及光电转换等模块，集成在一块基底上面【1 0 1 。另一方 面，i i i - v 材料的缺点在于，其材料的损耗还比较大，加工工艺也与广泛使用的硅工艺 并不兼容，需要另外购买设备，增加了成本。而且，其工艺本身也还有许多不完善的 地方，如：材料的生长方面等等。但总的来说，基于i h o v 材料的发展非常快，市场上 面也存在许多高性能的集成光学器件，如：激光器、波分复用器、高速调制器等。 聚合物材料是最近发展起来的一种非常特殊的集成光学材料【1 1 。他们具有一些很 好的物理性质，如：电光效应、压电效应、热光效应以及非线性效应，而且，这些效 应的系数通常很大，比如说：聚合物的热光系数比二氧化硅的高出十倍以上，易于制 作高速光开关、调制器等。聚合物材料成本低、工艺简单而且兼容性也好，可以加工 于大多的基底上，包括：玻璃，硅，i n p ，g a a s 。聚合物材料在生物探测方面的应用 非常广泛，因为某些聚合物可以有选择性的吸附一些特殊的分子，配合光学的方法， 可以用来作为相应分子的传感器。但是，聚合物材料的一个最人的问题就在于，其稳 定性较差，容易老化。 从以上的介绍分析，我们可以看出，集成光学一个重要的特点就是，材料以及器 件的多样性，这与集成电子学不同。这一点即可以看成是集成光学的一项优势，同时 浙江大学博士学位论文 7 也是其发展不快的一个制约因素。优势在于，我们可以根据不同的设计以及应用的要 求，选择合适的材料但由于其多样性，使得技术比较分散，而且没有哪种材料具有 绝对的优势。这也导致投资比较分散，所以各自的发展都相对缓慢。市场上，也还没 有哪一家公司，可以涵盖以上提到的所有材料和器件。从器件上来说，集成光学器件 的尺寸虽然已经比传统光学器件缩小了很多，但与集成电子学器件相比，还相去甚 远，为了降低成本并扩大市场，我们必需要进一步缩小现有的集成光学器件的大小。 总的来说，提出新的或扩展已有的材料平台，以及提出新的器件设计方法，最终实现 大规模的单片集成，是如今各研究者们所关注的方向，这也是本论文所要讨论的重 点在第1 3 节中，我们将对这方面最近的研究进展作一个阐述 1 2 衍射极限及其对光子器件集成度的限制 从上面的分析我们看到，对于集成光学来说，提高集成度是技术发展的一个关 键，也就是说，如何将更多的器件集成到一定大小的面积上米。与电子器件的集成更 多受的制于工艺手段不同，光学器件还受制于光的物理本质，即通常所说的衍射极 限。 对于图1 1 中的理想透镜聚焦系统，根据f r a u n h o f e r 衍射公式【4 】，聚焦光斑在焦 平面上的分布可以表示为( 假设平面波入射) ： 堆= 如 絮蔫群 2 t ， 式中，j 1 表示一阶贝塞尔函数；知表示真空中的波长；n 表示空问的折射率；其它参 数标于图中由上式，可以得到光斑第一个零点的位置，即：光斑的半径为： p o = o 6 l 丽a o ( 1 2 ) 式中，n a = n s i n 8 表示数值孔径( n u m e r i c a la p e r t u r e ) ga 表示波长。由于n a l ，所以，聚焦光斑的直径在最小的情况下也只能在一个波长左右。这就是所说的衍射 极限 对于集成光学来说，也存在同样的问题。我们以图1 2 所示的圆柱形介质光波导来 说明这个问题。众所周知，在这个模型下的基模为h e l l ，而且它没有截止半径，也就 是说，即使当半径r 趋近于0 ，h e l l 导模仍然存在。但是我们并不能只考虑波导的物 8第1 章绪论 皇 毛 s 理想 图1 1 ：理想透镜聚焦系统模型图。 图1 2 ：圆柱形介质光波导( 如插图所示) 的h e l l 模的光场有效直径i k 与波导的实际 直径d 之间的关系( 实线) 。a ) s i 0 2 波导，波长6 3 2 8r i m ；( b ) s i 0 2 波导，波长1 5 5 0 r i m ；( c ) s i 波导，波长1 5 5 0 衄。图中，虚线表示波导的实际直径。引用自参考文献 【1 2 。 理大小，而是应该考虑模场的有效直径上hf 1 2 。图1 2 ( a 卜( c ) 表示在三种不同参数下 的光场有效直径与波导的实际直径之间的关系。可以看到，当波导的直径比较大的时 候，随着波导的缩小，导模的光场也相应地被缩小。当波导继续缩小时，光场有效直 径反而会增加。在这三个例子中，光场有效直径的最小值都在波长量级左右，而且波 长越小( 比较图1 2 ( a ) 和( b ) ) ，或折射率差越大( 比较图1 2 ( b ) 和( c ) ) ，这个直径的 值会缩小。这些都与公式( 1 2 ) 中所反映的衍射极限非常类似。另外，集成光学中所使 用的波长并不能随意变动( 通信波长通常为1 5 5 “m ) ，因此，不能像光存储中那样， 通过减少波长来减少光场的有效直径。我们也必须提出一些新的概念和方法，来限制 波导中的光场。 淅江大学博士学位论文 9 1 3 实现亚波长光子器件的方法及其研究现状 第一种方法就是把光器件放到所谓的近场( n e a r f i e l d ) 范围之内，因为在近场， 公式( 1 2 ) 所描述的的衍射极限将不再适用这个时候，光场的大小可以远小于波长 我们可以从卒问频率域上来理解这个区别。根据f o t t r i e r 分析，当光场的横向空间范围 越小，它在该截面上的空间频率就越大( 互为f o u r i e r 变换对) 。而当空闻频率大于该 介质中的波矢时，该高频分量就属于倏逝波( e v a n e s c e n t w a v e ) 与常说的传播波不 同，这种沿着传播方向呈指数衰减形式。对于远场聚焦或成像系统( 如图1 1 ) 而言， 在最终的聚焦或成像面上，倏逝波已经衰减到o ，也就是说，高频分量缺失。再通过 f o u r i e r 分析，这时远场的光场最小也只能在一个波长左右的范围为保持皿波长的光 场大小，我们要留在倏逝波的起作用范围之内。然而倏逝波衰减很快，通常只存在于 一个或几个波长范围以内，即：所谓的近场。要在这么小的一个范围，集成大量的光 学器件，是比较困难的。因此，这种近场光学的方法，常常应用于近场扫描光学显微 镜【1 3 、生物传感【1 4 1 、以及近场光存储方面【1 5 , 1 6 1 。 通过使用高折射率的材料来减少光场尺寸的方法，在集成光学中也被j “泛采用。 通常对于波导来说，苍层与包层的折射率麓越大，其对光场的限制作用就越强，也就 是说，可以制作更小的波导结构( 参见图1 2 ) 。s 0 1 可能是现实中最方便找到的一种 高折射率差的材料结构，因此成为近来研究的重点。通过使用s i 作为芯层，以及s i 0 2 或者空气为包层，我们可以设计出截面尺寸为3 0 0 x 3 0 0 n m 2 左右的光波导【1 7 - 2 0 1 ，也 通常被称为硅纳米线波导( 有关这种波导的详细讨论，可以参见第5 2 节) 这种光波 导，对光场具有很好的限制作用，其弯曲半径可以为2 a n ，无耦合间距可以在1 肛m 左右【1 7 , 2 1 1 ，因此具有很高的集成度。基于这种硅纳米线波导，许多传统无源型的纳 米光子学器件都已经得到实现【1 7 - 1 9 ，如图1 3 所示的：共振环滤波器，b r a g g 光栅滤 波器，m z ( m a c h - z e h n d e r ) 干涉器，阵列波导光栅( a r r a y e dw a v e g u i d eg r a t i n g ： a w g ) 复用器等等【1 7 - 1 9 , 2 2 。对于无源器件来说，当特征尺寸减小到亚波长量级 时，最有挑战意义的几个问题为： 表面粗糙引起的散射损耗由于波导的芯层和包层的折射率差较大，即使表面有几个纳 米左右的起伏，都会形成一个强烈的散射中心，从而会对波导模式产生巨大的传 输损耗。通过改进工艺或者采用特殊的降低表面粗糙度的方法1 2 3 ，硅纳米线波 1 0 第1 章绪论 图1 3 ：一些基于硅纳米线波导的无源光子学器件。( a ) m z ( m a c h - z e h n d e r ) 干涉 器；0 0 ) b r a g g 光栅滤波器；( c ) 阵列波导光栅；( d ) 共振环滤波器。引用自参考文献 【1 7 - 1 2 2 1 。 图1 4 ：一些用于实现硅纳米线波导与光纤耦舍的结构。( a ) 简单雏形结构；) 三维锥形 结构；( c ) 反向锥形结合聚合物波导的结构；( d ) 光栅垂直耦合结构 导的损耗已经被降低到约0 2d b m m 【1 7 , 1 8 】。 与光纤的耦合由于在硅纳米线中，光被限制在几百个纳米左右的范围内，其光斑大小 与光纤中的光场严重不匹配，造成耦合损耗巨大。通常我们使用一种波导锥形结 构来一定程度的匹配两者的模场。其中最简单的一种是图1 4 ( a ) 所示的锥形，这 种形式的结构加工最为简单，不需要任何额外工艺。但是它的效率也比较低，其 仅在宽度方向上实现了模式渐变。丽在垂直方向上仍然存在较大损耗。另外一种 是图1 4 0 0 ) 所示的三维锥形f 2 4 1 。这种结构实现了各个方向上的模式渐变，但在 浙江大学博圭学位论文 1 1 厚度方向上的锥形比较难于加工，而且由于硅和光纤中的二氧化硅材料折射率差 较大，仍然存在较大的端面反射损耗。最近，s h o j i 等人提出了一种反向锥形结合 聚合物波导的结构( 如图1 球) 所示) 【2 5 】。在这种结构中，高折射率的硅纳米 线波导的宽度渐变到几十纳米左右，形成反向锥形。这时，光场在锥形顶端会扩 展得很开，于是逐渐被聚合物波导所收集。而且聚合物与二氧化硅折射率比较接 近，又可以避免较大的反射损耗。因此，辄。眭等人成功地将耦合损耗减少到每个 连接0 8d b 左右，已具有相当的实用性。经过一些改进，这种结构如今已经被各 研究小组所广泛采用【1 7 - 1 9 1 。另一种特殊的方式是采用光栅垂直耦合的方法，如 图1 4 ( d ) 所示其通过在硅波导上加工浅刻蚀光栅及其衍射效应，来实现光纤与 波导间的耦合1 2 6 。这种方法的最大好处就在于，并不需要对基片解理，因此可 以在基片级上对器件进行测试，有其一定的应用价值。但另一方面，由于光栅的 衍射级较多，控制较为困难，因此耦合损耗也相对较大，报道为4 5d b 【1 8 。 偏振不敏感器件的设计在亚波长尺度下，不同偏振的传输特性相差很大，要补偿偏振 的作用相当困难，在这个方面的文献还比较少。最近，d a i 等人在理论上提出了 一种偏振不敏感的阵列光栅设计【2 7 或者，完全不考虑偏振效应，而在以后的 应用当中只使用一种偏振，这也不失为一个选择。 ( c ) 图1 5 ：光子晶体示意图【2 8 】( a ) 一维结构；( ”二维结构；( c ) 三维结构 另外使用高折射率材料还可以方便制作出光子晶体( p h o t o n i c c r y s t a l ：p h c ) 【2 8 。 我们可以把光子晶体类比成对于电子的半导体晶体。一种材料的折射率可以看成是对 光子的。势”( p o t e n t i a l ) 。如果我们对这种光子的“势”进行周期性的调制( 如图 所示) ，与半导体中的电子能带类似，我们就能设计出特定的光子能带结构，如：光 第1 章绪论 子禁带作用【2 8 1 。通过这种能带结构，我们就可以控制光予在该晶体中的流动。显而易 见，对“势”的周期性调制的大小，也就是折射率差，是光子晶体的一个重要参数。 使用高折射率差材料( 如：s o i ) ，可以使我们能比较自由的通过调节光子晶体的其他 参数，如：晶格参数、晶格类型、填充率等等，来设计我们想要的能带结构。在集成 光学方面，利用光子晶体的这些独特的性质，我们可以设计h 非常小型的，以及通过 传统材料结构所不能实现的器件，因此具有很高的研究价值。 图1 6 ：光子晶体禁带的一些应用( a ) 光子晶体波导【2 9 1 ；( b ) 光子晶体慢光波导 【3 0 1 ；( c ) 光子晶体谐振腔激光器1 3 1 】；( d ) 光子晶体光纤【3 2 1 光子晶体中最先引起人们关注的就是其光子禁带作用( p h o t o n i cb a n dg a p ) 。与 半导体类似，光子晶体中也存在对光子的禁带，即：某个频率段中的光子，不能存 在于光子晶体当中。这种性质最初被用来设计波导，通过在完美光子晶体中引入一 个线缺陷，由于光子不能在光子晶体中传输，因此就被限制在线缺陷内，进而可以 形成( 光子晶体) 波导l ，或( 光子晶体) 光纤【3 2 。为了降低光子晶体波导的损 耗，增加传输带宽，减少弯曲损耗等等，研究者们在近二十年中付出了大量的努力 【2 9 ，3 0 ，3 4 1 。进一步，如果在光子晶体中引入一个点缺陷，我们就可以得到一个谐振 腔【3 5 】。与其它形式的谐振腔相比，光子晶体谐振腔具有极高品质因素以及超小模式 体积的优点。实验上，光子晶体谐振腔的品质因素已经可以达到1 0 5 左右，具有相当 浙江大学博士学位论文 的实用性f 3 6 1 最近的一个理论设计表明，模式体积也可以被缩减到0 0 1 个波长左右 【3 7 】。研究者们已经用它成功搭建了一些结构紧凑波分复用器、滤波器、激光器等等 【3 l ，3 4 l 。另外，y a 咖等人还利用光子晶体谐振腔，组成了一种慢光波导【3 8 】。这种新 型的波导，利用光子晶体谐振腔的高品质因素，以及相互之问微小的耦合，来减慢光 速。慢光波导可以用作光子缓冲密，或应用。二增强非线性效应。我们将利用光子晶体 禁带效应的这些典型应用综合于图1 6 中。 龃一w 渺印印一 一体矽咿一 一o 。 一面滁 t 矿彘 ( 1 )彻( c ， 图1 7 ：光子晶体色散的一些应用( a ) 光子晶体超棱镜；( b ) 光子晶体自准直器；( c ) 光 子晶体偏振分束器；( d ) 光子晶体负折射效应图中表述了空气和光子晶体平板交界面 处的波矢图，其中实线和虚线表示等频率曲线；黑色箭头表示入射( 岛) 和出射波矢 ( ) ；灰色箭头表示光子晶体中的群速度( ) 方向，即：光的传输方向。 光子晶体的色散工程是最近几年新兴的一个研究方向。光子晶体的能带结构，即 色散曲线，可以比较随意的控制，因此町以用来组成一些新型的器件。如图1 7 所示， 利用光子晶体的在对称点处高色散，组成超棱镜，用作波分复用器件【3 9 ，4 0 】；利用光 子晶体在某些方向上平坦的色散曲线，可以组成自准直器【4 l 】；利用光子晶体中明显的 偏正相关性，可以制作偏振分束器池4 3 】。另外，最近人们还发现，光子晶体中也存 在负折射效应【4 4 ，4 5 】。光的负折射现象是近些年研究者所广泛关注的一个课题。要实 现光的负折射，通常需要一种负折射率介质来。这种介质的介电常数和磁导率，在某 一频段内需要同时为负值，才能实现折射率为负【4 6 ，4 7 】。在自然界中，这种负折射率 介质是不存在的，需要人工合成。而要在光频下合成负的磁导率，是比较困难的。光 子晶体为人们在光频下实现负折射效应提供了一种方便的途径，因此迅速的吸引了人 们的注意。通过设计适当的光子晶体参数，我们可以在一个全部由正折射率材料构成 的结构中，实现负折射。利用光子晶体的负折射效应，可以设计出平板透镜【4 8 ，4 9 】， 这可以说是负折射效应的一个最常见的应用。除此之外，r u 锄等人设计了一种光子晶 1 4第1 章绪论 体开放谐振腔【5 0 1 。这种谐振腔与传统的谐振腔不同，其不需要作为反射用的腔壁，因 此具有开放的结构特性，在传感方面具有很好的应用前景。a o 等人结合光子晶体中的 负折射效应以及强偏振相关性，设计出一种高分离角的偏振分束器【4 3 。 总而言之，对于高折射率差材料结构，特别是s o i 结构，因为其高平面集成度， 以及与集成电子工艺兼容性，得到了研究者们的高度重视，并取得了相当的成果。它 也将成为今后的一个研究重点。近几年，一些研究小组在硅的有源器件方面也做了许 多工作。我们都知道，硅是一个间接带隙材料，且其电光非线性系数非常低。这对实 现硅上的调制器和激光器等有源器件造成了非常大的难度。通过努力，研究者们还是 提出了一些这方面的器件。利用硅中自由载流子色散效应( f r e e c a r r i e r d i s p e r s i o n ： f c d