波导特性.doc

1、2009年芬兰 Helsinki技术大学的A. Syntjoki等人研究了在狭缝波导中采用倾斜侧壁结构的优越性。采用倾斜壁狭缝结构波导的模式大多集中在狭缝的底部，有效模式的面积随着狭缝底部宽度的减小而减小，由此表明模式限制增强了。倾斜壁原子层沉积生长，采用钛氧化物作为ALD的生长材料很好的用作狭缝的非线性填充材料。（Advantages of Angled Sidewalls in Slot Waveguides- A. Syntjoki、T. Alasaarela、A. Khanna、L. Karvonen）2010年日本北海道大学Masa-aki KOMATSU等人研究了水平狭缝波导高非线

2、性特性和低而平坦的色散特性。数值模拟结果显示6000/W/m的非线性系数，平坦色散带宽为260nm,制作容差为10nm。( Highly-Nonlinear Horizontal Slot Waveguides with Low and Flat Dispersion- Masa-aki KOMATSU、Kunimasa SAITOH、Masanori KOSHIBA)2010年G. Pandraud等人研究了SiC-SiO 2-SiC水平结构的狭缝波导。1.3um的波导测试的准TM模式传输损耗为23.91.2dB/cm。目前报道的最少损耗的垂直式50nm单狭缝波导的TE模的损耗约为11.63

3、.6dB/cm。SiC材料的折射率小于Si但是远高于SiO 2，制作时有更高的容差能力。N SiC=2.35，N SiO2=1.45，通过改变波导结构测得在狭缝厚为238nm，板厚为108nm 条件下最大的限制功率为38% 。如果减小横向尺寸，那么准TE模式将会消失，而准TM模不会有太多的影响。此结构的波导有望用于传感。（Demonstration of PECVD SiCSiO SiC Horizontal Slot Waveguides-G. Pandraud, A. Barbosa Neira, E. Margallo-Balbas, C. K. Yang, and P. M. Sarr

4、o）2009年美国南加州大学和惠普实验室的Lin Zhang等人研究在高非线性狭缝波导中实现宽波长范围的统一色散。扁平的色散特性能够用于信号处理，零色散在302nm波长范围内达0.12ps/nm/m，非线性系数在1550nm时达到4300/m/W，这种水平狭缝波导的底部采用类似脊状波导的结构参数控制色散。文中提出两种可能的水平狭缝波导材料：As 2S3（能够减少整个双光子吸收的系数）和硅纳米晶体Si nc（显著增加非线性系数）。采用硫族狭缝波导比常规的条状波导的双光子吸收系数小3倍，可用于实现共振增强的非线性器件；采用硅纳米晶体狭缝波导虽然双光子吸收系数相应增加但是非线性系数显著增加了，此特性

5、可用于设计低功耗的非线性器件。（Achieving Uniform Chromatic Dispersion over a Wide Wavelength Range in Highly Nonlinear Slot Waveguides- Lin Zhang、Yang Yue、Yinying Xiao-Li、Jian Wang、Raymond G. Beausoleil、Alan E. Willner）2010年美国 南加州大学和惠普实验室的Yinying Xiao-Li等人研究了在高非线性狭缝波导中的平低色散。文中的波导采用水平波导，Si纳米晶体和硫系玻璃材料用作狭缝材料。在Si纳米晶体狭

6、缝材料中，超过244nm带宽，色散能达到00.16ps/(nm.m)，非线性系数为2874/(W.m)。在As 2S3狭缝波导材料中，超过249nm带宽，色散能达到00.17ps/(nm.m)，非线性系数是As 2S3脊形波导的16倍，非线性特性是Si条形波导的三倍。( Flat and low dispersion in highly nonlinear slot waveguides- Lin Zhang，Yang Yue，Yinying Xiao-Li，Jian Wang，Raymond G. Beausoleil，Alan E. Willner)2010年美国南加州大学和惠普实验室的L

7、in Zhang等人研究在狭缝波导中的扁平色散。文中提出的条形和狭缝混合型波导产生的553nm波长范围的扁平色散为016ps/(nm.km)，是之前报道的扁平度的20倍，此结构有三个零色散点。低色散光可应用于数据信号的相位匹配使非线性相互作用最大化，还可用于低失真模拟信号的精确光束控制，高带宽数据信号的传输。提高色散曲线平坦度的方法有引入氮化硅重叠层或者采用狭缝结构。 （Flattened dispersion in silicon slot waveguides-Lin Zhang、Yang Yue、Raymond G. Beausoleil、Alan E. Willner）2010年美国

8、南加州大学和惠普实验室的Yang Yue等人研究了垂直狭缝波导的高效非线性特性的减少。垂直式SOI狭缝波导结构能够减小非线性，并且其呈现的大的负向色散特性会引入相位失配从而进一步抑制非线性效应。单缝结构波导的非线性系数的实部能从120.05减少到16.11/W/m，双缝结构能减少到6.77/W/m。可用于色散补偿和可调谐光延迟。增加狭缝宽度会减少有效模面积提高非线性，增加有效模面积能使非线性效应减少。（Highly efficient nonlinearity reduction in silicon-on-insulator waveguides using vertical slots-

9、Yang Yue、Lin Zhang、Jian Wang、Raymond G. Beausoleil、Alan E. Willner）2010年美国南加州大学Alan E. Willner, Lin Zhang综合总结了用于光通信的集成纳米硅波导及器件。通过修改波导结构参数能够将大部分光控制在狭缝层从而严格控制由狭缝材料引起的有效非线性特性。文中介绍了水平狭缝波导的物理特性，包括色散、非线性和双折射。高低色散特性可用于高速信号处理，强双折射效应用于偏振分束器和多路复用。( Integrated nano-structured silicon waveguides and devices for

10、 high-speed optical communications- Alan E. Willner 综述)2010年伦敦城市大学D.M.H. Leung, B.M.A Rahman等人研究了在纳米截面硅狭缝波导的特性。研究发现H场的三个分量在电介质表面是连续的，但E场分量是不连续的，在狭缝低折射率区的强度显著增加。（Characterization of Nanoscale Silicon Photonic Devices- D.M.H. Leung, B.M.A Rahman, M.A. Ashraf, H. Tanvir, N.Kejalakshmy, A. Agrawal, R. K

11、abir, and K.T.V. Grattan）2010年伊朗 Shiraz大学与中国厦门大学共同合作研究了多狭缝微环波导的弯曲损耗特性。该研究发现弯曲效率能够通过采用非对称结构和非对称的中间带结构来得到提高。他们实验证明了弯曲损耗是非对称系数的函数。由于总光场限制在狭缝间隙中相当于增加了弯曲半径，因此降低了弯曲损耗。（Bending Loss Analysis of Multiple-Slot Waveguide Microrings-Alireza Kargar，Hang Guo）2010年美国 Rochester大学Yijing Fu等人研究了水平结构多缝发光器件中抑制自由载流子吸收的

12、效应。在纳米硅中自由载流子吸收始终是阻碍光增益的主要因素，采用狭缝结构，多数的光子限制在SiO 2薄层而不是纳米晶体硅中，光子与自由载流子在空间上分离，因此，自由载流子吸收受到抑制，实验中证明了抑制效果是以前的10倍，此种结构的波导可用于制成非线性光子器件。（ Suppression of free carrier absorption in multi-slot silicon light emission devices- Yijing Fu、Karl Ni、Philippe M. Fauchet）2010年美 国南加州大学和惠普实验室的Yinying Xiao-Li等人 共同研究了双狭缝

13、波导中的色散特性。为了克服原狭缝波导一维度的限制，文中提出对原结构修改成双向结构使得两维度的限制光都能够传输，由于有这样的优势，其修改色散的能力就得到加强。文中重点讨论了随着几何参数的变化，线性和非线性色散特性在=1550nm附近的变化。（双狭缝结构是在水平狭缝（中间Si 3N4材料）的基础上再在狭缝层区剖开一条空气缝区）( Dispersion Tailoring in Dual Slot Waveguide- Yinying Xiao-Li, Lin Zhang, Yang Yue, Jian Wang, Raymond G. Beausoleil, Alan E. Willner)201

14、0年美国南加州大学Yinying Xiao-Li研究了水平狭缝中引入长方形次芯层结构的波导（双槽波导）。光场可限制在二维空间。通过改变不同的几何参数，线性和非线性色散、双折射效应都能进行扩展裁剪。文中证明了色散常数点，双折射效应比普通波导高。 （Light guiding in a slot waveguide that includes an additional confining core region- Yinying Xiao-Li）2010年芬兰 Aalto大学与美国Arizona大学的Robert A. Norwood等人合作共同研究了二维狭缝波导的偏振特性。文中新型的狭缝波导结

15、构能同时将准TE模式与准TM 模式强烈地限制在低折射率狭缝区，从有效折射率、限制因子、准TE模式与准TM模式的重叠积分等方面分析它们的模式特征。在狭缝区的限制因子和双极化重叠值能达到0.4至0.5。双槽波导的双折射效应比普通波导高，十字型槽波导的两偏振模式场分布的重叠低，文中的2D狭缝波导能将准TE模式和准TM模式都限制在相同的低折射率狭缝材料区，并且有可能达到零双折射。文中采用非晶硅作为高折射率材料N h=3.58，SiO 2作为狭缝材料N s=1.46,分别研究了封闭式2D波导，开放式2D波导，O 型2D波导，U型2D 波导。这种结构的波导能用于实现随机偏振，实现磁光波导。（Polariz

16、ation properties of two-dimensional slot waveguides- Amit Khanna、Antti Syntjoki、Ari Tervonen、Robert A. Norwood、Seppo Honkanen）2009年斯坦福大学和加州理工学院的Young Chul Jun等人合作研究了硅基狭缝波导中如何提高光发射带宽的课题。（Broadband enhancement of light emission in silicon slot waveguides-Young Chul Jun，Ryan M. Briggs， Harry A. Atwater

17、，Mark L. Brongersma）2010年伊朗 Shiraz大学与中国厦门大学共同合作研究了弯曲狭缝波导的光学表面传感特性。实验证明了弯曲单狭缝波导具有比普通弯曲波导更高的表面敏感性。文中从波导宽度、狭缝宽度、弯曲半径、非对称系数等参数变化研究波导表面敏感特性。研究发现在参数为R=5um、w=400nm、非对称系数=0.7的条件下，狭缝宽度小于 120nm时表面敏感度随着狭缝宽度的增加而减小，在缝宽大于120nm的范围下表面敏感度随着缝宽的增加而增加。同时，波导的表面敏感度也与非对称系数有关。而对于大的弯曲半径来说，表面敏感度几乎是固定的，不随半径变化。（Optical Surface

18、 Sensing by Bent Slot Waveguides- Alireza Kargar、Hang Guo）2010年芬兰 Aalto大学A. Syntjoki等人研究了改变狭缝几何参数和填充物的光学参数对原子沉积狭缝波导的模式特性的影响。当填充材料的折射率增加时，狭缝中的光场限制能力将减小。模拟研究倾斜壁波导模式发现填充层能够将场的最大值位置向偏离狭缝底的方向移出。由于高的光刻精度要求，目前报道的垂直狭缝波导的最低损耗为10dB/cm。原子层沉积（ALD）是一种很好的填充光子结构的方法。狭缝波导中的由非线性损耗引起的自由载流子吸收是限制器件表现的重要因素。（Mode properti

19、es of ALD filled slot waveguides- A. Syntjoki、T. Alasaarela、A. Khanna、A. Tervonen、S. Honkanen）2010年英国 Bath大学和Glasgow大学共同研究了SOI 波导的超模色散、和波导向狭缝的模式转移。研究发现耦合引入的色散比单根波导的材料和波导色散要大，在非对称超模截止区，能观察到对称TM和非对称TE超模的反交叉（anti-crossing），即非对称区的非对称TE模向对称TM模式转变是通过反交叉的形式实现的。波导尺寸为高220nm的硅层，2um 厚的SiO 2，硅波导宽为380nm，狭缝区宽为100

20、nm，总长为3mm。模拟研究发现，干涉的扩大与耦合引入的色散有关。( Supermode dispersion and waveguide-to-slot mode transition in arrays of silicon-on-insulator waveguides- Charles E. de Nobriga、Gareth D. Hobbs、William J. Wadsworth)2010年西班牙 Politcnica大学 Sara Mas等人研究了硅纳米狭缝波导的定制色散特性的现象。通过精确控制波导的几何参数能控制零色散点或是尖峰色散波长点，此外，通过合理设计狭缝波导能够在宽的

21、波长范围内实现固定色散。定制色散能够控制超短脉冲传播和非线性光学效应。（Tailoring the dispersion behavior of silicon nanophotonic slot waveguides- Sara Mas、Jos Caraquitena、Jos V. Galn、Pablo Sanchis、Javier Mart）2011年德国KIT的Kirankumar R. Hiremath等人基于耦合模式理论研究了光在狭缝谐振腔中的传输特性。采用频域空间耦合模式理论（CMT）方法与有限元的DGTD（Discontinuous Galerkin Time-Domain）方法

22、进行比较分析。本文主要采用的半矢量的频域空间CMT方法模拟狭缝谐振系统。针对数值解法必须不仅控制在曲面的任何空间上的离散误差还要能一直处理场的不连续性的问题，本文还采用了曲面有限元改进的DGTD方法进行验证。比较CMT和DGTD的光谱计算结果，观察到了合理的共振一致性，但对于一阶谐振损耗却存在着明显的差异。采用投影校正的方法确定了耦合器的散射矩阵，并且结合了差值的方法计算狭缝谐振器的光谱响应。预期该二维CMT模拟的方法能够很好的应用于耦合器阵列和非线性光学的分析领域。（Analysis of light propagation in slotted resonator based system

23、s via coupled-mode theory- Kirankumar R. Hiremath，Jens Niegemann，Kurt Busch）2011年澳大利亚Melbourne大学Chun-Hsu Su等人研究了用于大型量子光学器件的耦合狭缝波导腔。文中探索了二维耦合狭缝腔，可用于设计新型的量子模拟器和量子相变装置。用数值耦合模式理论分析了GaP-air狭缝波导的横向耦合特性，用分布布拉格反射器研究了纵向耦合特性。发现狭缝波导结构的FP腔可以很好的用于实现Jaynes-Cummings-Hubbard 物理应用。（Coupling slot-waveguide cavities f

24、or large-scale quantum optical devices）2011年美国California大学Alireza Kargar和Chung-Yen Chao设计和优化了狭缝环形腔的传感灵敏度。用有效折射率法（effective index method）与模式匹配法（ Airy-functions-based mode matching）相结合分析狭缝（单缝和双缝）微环传感器的灵敏度。针对目前弯曲波导的灵敏度不高的问题提出了优化方法。实验采用同质传感方法，将器件浸没在分析溶液中，溶液作为波导的覆盖层，折射率的变化正比于溶液的变化。研究中发现传感灵敏度随波导宽度下降，在波导宽度

25、窄的情况下，狭缝位置的变化对灵敏度影响不大。当波导宽度较大（400nm）时狭缝波导的灵敏度是普通波导的三倍，狭缝结构并不能提高窄波导的灵敏度，波导的宽度要足够才能尽量避免由于波导侧壁粗糙引起的散射损耗。不同的狭缝位置对应的波导灵敏度的最大值不同。对于双缝弯曲波导，当位置系数 1=2=0.4，每条狭缝宽度小于100nm时，传感的灵敏度达到最大。（Design and optimization of waveguide sensitivity in slot microring sensors）2011年美国California 大学Feng Qian，Qi Song，Ozdal Boyraz等人

26、研究几何参数变化对掺铒区硅波导的非线性增益损耗的影响。采用多狭缝结构将功率强烈的限制在低折射率区，比单狭缝结构的净增益提高了0.38dB/cm。由于光强分布影响净增益和非线性损耗，因此几何参数变化会改变非线性增益。 （放大器）（Effects of Design Geometries and Nonlinear Losses on Gain in Silicon Waveguides with Erbium-Doped Regions-Feng Qian, Qi Song, En-Kuang Tien, Salih K. Kalyoncu, Yuewang Huang, and Ozdal B

27、oyraz）。2011年浙江大学何赛灵组研究了基于狭缝波导的宽带波长转换。由于模式区面积极小和高非线性特性，“三明治”结构的狭缝波导能很好的应用于高效率的波长转换器上。零色散波长（ZDW）转移至1550nm范围，通过优化波导结构提高了转换带宽。得到的转换带宽大于400nm，在4mm长的波导中用150mW的泵浦功率得到的转换效率为-2.38dB。在波导结构为W s=50nm，W h=310nm，h=305nm的条件下的非线性系数为3.86*10 6W-1km-1，狭缝波导的非线性系数约是通道波导的19倍。不同的缝宽导致ZDW不同。（Dispersion engineering of a sili

28、con-nanocrystal-based slot waveguide for broadband wavelength conversion-何赛灵等）2011年意大利Pavia大学A. Trita等研究了硅纳米狭缝波导的FWM效率和转换带宽。光学电路集成信号处理功能的需求是推动发展高效率并与CMOS兼容的非线性光学元件的重要因素。采用狭缝波导结构是解决在硅基上实现高效率非线性的很有前景的方案。水平结构的槽波导，由于Si-nc有高的非线性克尔系数值因此中间夹层用Si-nc材料。将材料的非线性特性与强限制在缝结构特性相结合会产生更高效率的非线性光学相互作用。实验中突出了TE和TM模呈现出不同

29、的FWM效率和不同带宽，并准确估计了电子对非线性克尔系数的贡献值。实验观察到在7dBm波导泵浦功率的最大转换效率为-28dB。（Four-Wave-Mixing efficiency and conversion bandwidth in Silicon-Nanocrystals Slot waveguides fabricated by PECVD- A. Trita，C. Lacava，I. Cristiani）2011年芬兰Aalto大学Ari Tervonen等人对在磁光不对称狭缝波导的非互易相移进行了建模研究。模型中采用磁光材料填充狭缝并使用优化的非对称结构实现非互易相移效应（NRP

30、S），这种结构可用于垂直狭缝波导的准TE模极化。（Modeling Study of Nonreciprocal Phase Shift in Magnetooptic Asymmetric Slot Waveguides- Ari Tervonen, Amit Khanna, Antti Syntjoki, and Seppo Honkanen）2011年美国华盛顿大学和半导体研究中心合作研究了光刻制造低损耗非对称型的狭缝波导技术。实验证明对于缝宽为130nm，边波导宽分别为320nm和100nm的非对称狭缝波导的光传播损耗小于2dB/cm。之前的刻蚀技术采用的是电子束光刻。高的传输损耗是应用垂直波导的基本限制，采用非对称结构能够降低传输损耗。（Photolithographically fabricated low-loss asymmetric silicon slot waveguides- Alexander Spott）2011年芬兰 Aalto大学与德国KIT合作共同研究出通过原子层积淀的方法减少狭缝波导的传输损耗。（Reduced propagation loss in silicon strip and slot waveguides coated by atomiclayer deposition）