6、硅光子波导组件中的偏振控制：包层应力工程的应用与原理

硅光子波导组件中的偏振控制：包层应力工程的应用与原理

在硅光子学领域，偏振控制是实现高性能光器件的关键技术之一。包层应力工程作为一种有效的手段，能够对硅光子波导组件的偏振特性进行精确调控。下面将详细介绍包层应力对波导模式和双折射的影响，以及其在各类光器件中的应用。

应力诱导的模式失配

在某些光子功能的实现中，例如偏振分束器，需要将上包层仅应用于组件的选定部分。此时，裸硅与氧化物包层芯之间的结处会出现模式失配，这可能成为传播损耗的潜在来源。

对于常见的氧化物应力水平（|σfilm| < 400 MPa），应力引起的变化（δnTE, TM stress） ≤ 5 × 10⁻³，这与绝缘体上硅（SOI）波导中约为2的包层 - 芯折射率对比度相比，小了几个数量级。因此，应力对模式轮廓的修改可以忽略不计，导致模式失配损耗极小。

对于宽度W = 1.5和2.5 μm、脊高H = 2.2 μm、蚀刻深度D = 1.5 μm的波导，计算得到的模式失配损耗如图所示。较窄的波导损耗略大，但仍可忽略不计（小于0.001 dB）。由于|δnTM stress| > |δnTE stress|，TM模式的损耗略高于TE模式。对于更小芯尺寸的波导，损耗会增加，但在H低至1 μm时，仍在可接受范围内。

应力对群折射率双折射的影响

由于SOI波导的高限制特性，波导色散在有效折射率和双折射中都有显著的几何贡献。对于某些波导几何形状（如W = 1.5 μm），有效折射率几何双折射Δngeo和群折射率双折射ΔnG符号相反，仅考虑几何贡献时，无法将两者同时调整为零。

包层应力对总双折射Δneff和ΔnG随波长的影响如图所示。