一种T型硅基亚波长狭缝波导设计与特性分析

中北大学 山西省光电信息与仪器工程技术研究中心 王冠军 谭绪祥 王志斌

一种T型硅基亚波长狭缝波导设计与特性分析

中北大学 山西省光电信息与仪器工程技术研究中心 王冠军 谭绪祥 王志斌

为了同时实现对两种偏振光的强模场限制，本文提出了一种T型硅基狭缝波导结构，并研究了该狭缝波导结构的模式特性。研究结果表明，与传统的水平或垂直介质狭缝波导相比，T形狭缝波导可以同时支持两种高性能狭缝模式的传输，实现对两种偏振光的较强模场限制。

T形狭缝波导；模式双折射；硅基波导

1 引言

近年来，硅基结构以其低廉的成本、优良的导波特性在光传导、全光信息处理等领域显示出了巨大的应用前景。但硅基波导传输光场主要集中在硅芯中，其导波特性受到衍射极限的制约。另外狭缝波导自2004年提出以来，就以其独特的导波形式和超强的光场限制能力引起了人们的广泛关注。硅基狭缝波导可以在纳米尺度的低折射率介质中实现光场的限制与传输，从根本上摆脱了衍射极限的束缚。同时，狭缝波导的概念也逐渐延伸到其他波导形式。2007年英国巴斯大学Wiederhecker等人在微结构光纤中引入了纳米级尺度的空气孔，并通过理论模拟及实验测量首次证明了光子晶体光纤中狭缝效应的存在。

目前文献中所报道的各类传统狭缝平板波导可以分成垂直狭缝和水平狭缝两种结构。这两种波导均只能在其自身的狭缝区域实现对一种偏振光（TE偏振或TM偏振）的较强模场约束，而对另一种偏振光的约束能力则相对较弱。如果要同时获得对两种偏振光的强模场限制，则需要引入新的狭缝结构和导光机制。

为了同时获得对两种偏振光的强模场限制，本文研究了一种新型的硅基狭缝波导结构。与传统的垂直狭缝或水平狭缝不同，该结构的狭缝区域呈T形结构。其本身同时具备横向和纵向的低折射率介质层，有望同时实现对TE和TM两种偏振模式的较强光场限制。

2 T形狭缝波导结构设计

本节中具体研究的T形狭缝波导结构如图1所示。该波导由一个传统硅板结构和位于其下方、与之紧邻的垂直介质狭缝结构共同组成，两结构之间的低折射率缓冲层连同水平狭缝中央的低折射率介质层形成了T字形的狭缝区域。图中，组成T形狭缝结构的垂直狭缝波导的硅板宽度和高度分别为w1和h1，狭缝区域的宽度则为ts。位于狭缝的SOI波导的硅层的宽度和高度分别为w2和h2，用于隔离两种结构的低折射率介质缓冲层的厚度为ts。此处假定T形狭缝波导中的高折射率和低折射率结构分别采用硅和二氧化硅材料。在实际加工中，可以利用化学气相沉积等方式完成对整个波导样品的制备。

图1 倒T形狭缝波导三维结构示意图

3 狭缝波导特性分析

根据耦合模理论，构成T形狭缝波导的垂直狭缝结构和其下方的硅平板波导各自支持的介质导波模式之间的耦合至少可以产生两种新的介质狭缝模式，包括准TM模式和准TE模式。在波长固定、所有材料折射率不变的情况下，垂直狭缝波导所支持的TM和TE模式的有效折射率由三个变量决定，即宽度w1、高度h1以及狭缝宽度ts。硅平板结构所支持的介质导波模式则由其自身宽度w2和高度h2决定。此外，缓冲层的厚度ts也是影响复合系统所支持的狭缝模式特性的关键因素。

本文给出了1550nm波长下倒T形狭缝波导结构所支持的准TM和准TE模式的电场分布，如图2所示。图中波导的具体参数为：w1=175nm，w2=400nm，h2=125nm，h1= 225nm和ts=50nm。可以看出，准TM模式的光场主要限制在水平狭缝区域内，并表现出显著的场增强效应。而准TE模式对应的局域场增强则主要发生在垂直狭缝区域中，且其光场与下方的硅板结构有相对较大的重叠度。对于准TM模式，T形低折射率狭缝区域限制了约27.3%的光功率。而在准TE模式的情形下，整个狭缝区域内的归一化光功率值也达到了27.4%。该结果表明，两种偏振的狭缝模式均具备很强的光场限制能力。本文同时研究了狭缝波导结构的几何参数对模式双折射以及限制因子等特性的影响。模式双折射定义为同一波导所支持的两种不同偏振模式之间的有效折射率差，计算公式如下：

图2 T形波导所支持的基模的电场分布图

B=neff(TE)-neff(TM) （1）

其中 neff(TE)和neff(TM)分别表示TE和TM偏振模式的有效折射率。

模式双折射随垂直狭缝高度变化的结果如图3所示。可以看出，在h1从100nm增加到300nm的过程中，模式的双折射经历了符号的变化。狭缝模式的特性由原先的超大正双折射逐渐转变为负双折射。

图3 模式双折射随h1的变化曲线

该结果表明，通过改变垂直狭缝的高度可以对两种狭缝模式的有效折射率实现不同程度双折射的调节，从而使得TM模式的有效折射率远远小于（或大于）TE模式的有效折射率。图3所显示的结果还揭示了近零双折射或零双折射特性的实现条件。

本文进一步研究T形狭缝波导的宽度及其下层硅板的高度对于双折射的影响，相关结果如图4所示。可以看出，持续增加硅板的宽度w2，对应的模式双折射将经历符号的变化，从负双折射逐渐转变为超大正双折射。超大双折射可以与狭缝区域内较强的模场限制能力同时实现。而当狭缝波导具备合适的几何尺寸时，同样也可以实现近零双折射。

图4 模式双折射随w2的变化曲线

4 总结

为了同时获得对两种偏振光的强模场限制，本文研究了一种新型的T型硅基狭缝波导结构。研究结果表明，T形狭缝波导可以同时支持两种高性能狭缝模式的传输，并且T形狭缝结构可以提供对两种偏振光的较强模场限制，实现对双折射特性的有效调节。

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王冠军，1983出生，博士，讲师，硕士生导师，研究方向：光纤传感。