2、硅光子线波导：基础与应用

硅光子线波导：基础与应用

1 硅光子线波导的特性

1.1 有效折射率与单模条件

硅光子线波导的有效折射率与波长密切相关。对于不同厚度的硅波导，单模条件所需的芯尺寸不同。例如，200 - nm 厚的扁平芯中，TE 模和 TM 模的有效折射率差异较大，表现出较大的偏振依赖性；而 300 - nm² 的芯中，TE 和 TM 基模的折射率相同，可消除偏振依赖性。对于 400 × 200 - nm² 芯的波导，在波长低于 1420 nm 时，TE 模会违反单模条件，因此在 1310 - nm 电信波长波段，需使用更小的芯来满足单模条件。

1.2 几何误差与双折射的影响

硅光子线波导的有效折射率对芯的几何形状极为敏感，群折射率 (n_g) 也受芯几何形状的显著影响。对于大多数光子功能所设计的 TE 模，400 × 200 - nm² 芯的波导对芯宽度的敏感度 (dn_g/n_gdw) 约为 (2×10^{-4} nm^{-1})，300 - nm² 芯的波导敏感度更高。对于密集波分复用（DWDM）的波长滤波器，群折射率需控制在 (1 × 10^{-4}) 或更小，这对应着芯宽度精度需达到 0.5 nm 或更小，当前微制造技术难以实现。不过，存在一些最佳几何形状，如 385 × 200 - nm² 和 325 × 300 - nm² 的芯，对芯宽度误差具有较强的鲁棒性。此外，硅光子线波导的结构双折射非常大，偏振依赖性问题几乎无法解决，需要采用偏振分集技术来消除偏振依赖性。

1.3 传播损耗与弯曲辐射损耗

未掺杂硅在低于带隙（约 1.1 eV）的光子能量下，固有损耗很低，因此光子线波导的传播损耗主要由芯表面粗糙度引起的散射决