1、毕业设计文献综述电子信息科学与技术基于OPTIWAVE的硫系玻璃脊形光波导结构设计摘要本文首先介绍了光波导的特性，阐述了脊形光波导的等效结构并采用有效折射率法对其结构参量进行设计。由于高的光敏性、高的溶解能量、容易制备、组分可调等优点是硫系玻璃薄膜越来越受到人们的关注，而折射率比石英玻璃高23个数量级更是使它成为集成光学器件研究的焦点。最后综述了近年来硫系薄膜光波导及其应用，并对它的进一步研究及应用进行了展望。关键词脊形光波导；有效折射率；结构参量；硫系玻璃薄膜一、背景随着全光信息处理和光计算机研究的发展，三阶非线性光学玻璃的研究已成为近年来光电子技术领域中最引人注目的研究课题之一。目前三阶非
2、线性光学玻璃的研究方向是寻求非线性光学性能、响应时间、化学稳定性、热稳定性、光学损耗、加工特性及材料成本等诸因素的最佳结合点。其中，新型硫卤玻璃、高折射率氧化物玻璃、各种共振型掺杂玻璃等均有希望成为全光开关材料的最佳候选。目前光纤通讯网络信息运载能力的提高并非受制于传输介质的能力，而是受到用于信号切换和处理的电子装置速度的限制，尤其随着高品质、低损耗光纤材料研究的突破，电子装置由于存在时钟偏移、严重串话和高损耗的缺点而产生光纤通信系统中的“信息瓶颈”现象。解决此瓶颈的关键是开发非线性超快光子学器件。由于玻璃具有在大部分波段透明、较好的化学稳定性和热稳定性、较高的三阶非线性极化率、较快的光响应时
3、间、易于成纤成膜、易于机械光学加工等优点，受到研究者的普遍关注。一场旨在以充满生机活力的高速光子取代现有信息转换媒体即电子的革命性进程已经开始。光波导是集成光学器件的基础和基本连接方式。光波导器件由于其小型化、易于大规模生产、成本低等优势，成为无源光通信器件的发展方向，使光子集成和光电集成成为可能。由于平面光波导膜层材料的不同，其功能及特性也有很大的差异。目前用于制作平面集成波导器件的材料体系中，硅基和石英基光波导因为在制作工艺上和光电子集成（IC）兼容，能够和ITUT标准单模光纤很好地实现模式匹配，有着较低的耦合损耗和传输损耗。二、光波导的特性光波导是由光透明介质如石英玻璃构成的传输光频电磁
4、波的导行结构。光波导的传输原理是在不同折射率的介质分界面上，电磁波的全反射现象使光波局限在波导及其周围有限区域内传播。现代应用的光频的波长介于0816微米之间。实用光波导有光导纤维、薄膜波导平板波导、带状波导3类。光导纤维的一个传输特性是衰减很小、频带很宽、抗电磁干扰，主要用于通信；光导纤维的另一传输特性是对外界的温度和压力等因素敏感，因而可制成光导纤维传感器，用于测量温度、压力、声场等物理量。薄膜波导有三层介质,中层的薄膜厚度约110微米，上层（通常即为空气）和底层介质的折射率N1与N3都小于N2。当薄膜的宽度为有限尺寸时，称为带状波导。光波能量主要集中在WD的矩形带状结构中。薄膜波导与带状
5、波导主要用于制作有源和无源的光波导元件，如激光器、调制器和光耦合器等。它们采用半导体薄膜工艺，适合于制成平面结构的集成光路即光集成部件。三、脊形光波导31脊形光波导等效结构图1为等效脊形光波导的结构112。其中N1为覆盖层空气，N2为波导层，N3为衬底。波导的内脊高为B，外脊高为H，脊宽为W。在Y方向上，由于各介质层折射率的差别，光能被限制在中间折射率较高的波导层中。对脊形光波导而言，光能不仅在Y方向上受到限制，而且在X方向上也受到限制。这是由于波导在区域I的厚度B大于波导在外部区域的厚度H，因此区域I的有效折射率N1高于区域的有效折射率，这样便使光能在X方向得到了限制。由此特性可知这种结构器
6、件可以作为光波导器件而应用于光电集成中。图1等效脊形光波导的结构32脊形光波导的参数设计文献11提出了SOI脊形光波导的模式及其分析，利用有效折射率的数值解与分析，通过计算得到了SOI脊形光波导内外脊高和脊宽等结构参数之间的关系，为加快SOI脊形光波导的使用化提供了有效地理论依据。文献22设想了脊形光波导的等效模型后，将有效折射率用于脊形光波导中，经过精确计算，得出了SOI脊形光波导传输单模光波时的合理尺寸。在所得的合理尺寸中选定其中B300NM，H150NM，W400NM制作成脊形光波导后，测得其传输损耗为087DB/CM，可见其传输损耗较小。文献33提到了分析矩形光波导最常用的方法之一就是
7、有效折射率方法（EIM）。EIM以其简便，高精度的特点使其成为一种非常成功的矩形光波导研究方法。但是EIM存在一定的误差，本文提到为了减少误差，计算时要对波导覆盖层的折射率进行修正。从波导的短边和长边开始计算所得的结果是不相同的，对于基模EX模从波导长边开始计算的结果要比从短边开始计算的结果精确；对于基模EY模，情况正好相反，而且随着相对折射率差的增大，两种计算结果将变得逐渐接近。文献44用有效折射率法对AIR/GEXSI1X/SI脊形光波导进行了光场分析与计算，得到了设计这种光波导的方法从降低损耗入手，确定GEXSI1X合金材料的GE含量X。在根据GEXSI1X应变材料的临界厚度确定脊形波导
8、的内脊高B。在此基础上，由传输单模和使内脊中高阶模泄漏的条件确定H。当B和H确定之后，由单模条件确定脊宽W。另外，从前面的分析和计算还可看出，H的取值存在着下限值，W的取值随着（BH）的减小而增大，这与大截面理论是一致的。但也有所不同，这里H的下限值是随B的取值和材料的不同而不同，H的上限值是由单模条件所决定，也就是说脊外腐蚀要达到必要的深度。文献55通过对脊形单模硅光波导的模式特性的理论分析，介绍了脊形单模硅光波导的设计过程及参数的确定。文献66成功地用三维模拟法描绘了SI脊形光波导中电场及光场的立体分布。这种分布能充分反映脊形SI光波导各区的结构，优于二维模拟的结果。三维模拟能准确、迅速、
9、形象地反映单模光波导的条件，对实际制备SI单模脊形光波导有很大地指导意义。文献77通过有效折射率法对SOI和GESI/SI脊形波导模式进行模拟，得到了脊形波导的单模条件，将此单模条件及SOREF的单模条件与RICKMAN的实验结构进行了比较，发现采用有效折射率法得到的单模条件与实验结果完全一致，这样，改进了的SOREF的单模条件，大大减小了单模波导的设计误差。文献88提出了用折射率呈三角形分布的渐变折射率SIGE光波导来实现降低传输损耗。讨论了渐变型SIGE光波导的结构，并对这种形式的光波导进行了模式分析，给出了参数设计的方法。文献99从平板光波导折射率有效模型,导出了SIGEOI脊形光波导的
10、等效模型,将有效折射率用于SIGEOI脊形光波导中,经过精确计算,得出了SIGEOI脊形光波导传输单模光波时的合理尺寸。选定500NM,250N,W500NM后,通过OPTIWAVE的仿真,模拟得到其传输损耗为02593DB/CM,小于传统的05DB/CM，可见其传输损耗较小。四、硫系玻璃简介41硫系玻璃的特性硫系玻璃13,14常被认为是含有一种或多种除氧之外的氧族元素如S、SE、TE等，加上AS、GA之类的电负性较弱的元素而形成的非晶态玻璃材料的总称。此外还可以加上SI、SN、PB、B、ZN、TI、AG等元素，如果加入一些卤族元素，则称之为硫卤玻璃。与氧化物玻璃相比，硫系玻璃具有较大的质量和
11、较弱的键强，既能形成极性键又能形成共价键，因此该玻璃并不遵循化学计量比，可以含有较多的S或SE，其中过量的S或SE可以形成共价型长链。硫系玻璃的特点13,14在于有较高的转变温度，较好的力学性能，制成的纤维有较好的可挠性，但硫系玻璃的折射率大，瑞利散射强，中红外区本征吸收较大。硫系玻璃的电学性质研究得很多，而且也取得了有实用价值的新进展。硫系非晶半导体具有优良的光学和电学性能1516。能透过120M红外光，可用来制作红外光透镜和高能CO2激光器传输光纤1619。SANAGE总结了各种含AS、GE、SI等元素硫系玻璃在35M波段和812M波段的折射率的变化规律，发现当AS2S3硫化砷玻璃在3M折
12、射率为2395被AS2SE3或TE替换时折射率有所增加，色散曲线比氧化物玻璃和氟化物玻璃更为平坦，加入GE、SI会降低折射率，加入PB、SN、SB会提高折射率。经过光辐照后的硫系非晶半导体3会出现光致暗化、光致结构变化等效应，可用作蚊子光记忆和图像处理的光盘材料。如全息存储、集成光学和大面积平板印刷术等7。利用其记忆开关效应或选择性离子响应。硫系非晶半导体还可作为计算机中的存储器或离子选择性电极硫系非晶半导体具有较高的折射率（2040），因而具有较高的非线性光学极化率值。42硫系玻璃的应用硫系玻璃的应用1315广泛。由于硫系玻璃具有宽广的红外透过范围，可作为透红外光学元件在热成像、夜视、CO2
13、激光能量传递、化学传感分析、辐射温度计等方面获得应用；很多组分的硫系玻璃呈现开关转换现象，NASU等报道了AS2S3玻璃具有较大的三阶非线性系数，比石英玻璃大100多倍而且具有非常快的响应时间，这也展示出了其应用于未来全光开关的可能性；PETKOV等人发现蒸发的ASS薄膜经辐射后其溶解速率提高了10倍，这一特性可用来作为正像平板印刷过程的基础，硫系玻璃也可用于静电印刷或电子照相；利用离子导电的硫系玻璃作为电解质的原电池现已在生产如EVEREADY的LI/LI2SP2S5LII/TIS2电池，其优点是它消除了采用液体电解质时的泄露问题。掺PR的LAGAS系统的玻璃13可用于13M处的全光放大，其
14、优点是有较大的稀土离子掺杂浓度和具有较低的声子能量。激光能量传输是硫系玻璃的又一个方面应用，激光刻用于工业焊接和微型手术，过去106M的CO2激光在外科手术中主要靠一些庞大的机械关节来传递。现在我们可利用实心硫系光纤来代替，NISHII等14已研究出用GESETE/GEASSE的芯层和包层的硫系光纤来传输218W的CO2激光，激光的能量密度为60KW/CM2。CHURBANOV15用15CM长、直径400M的GEASSE光纤传输了29MWERYAG激光，得到的能量输出为1560KW/CM2。五、硫系玻璃薄膜研究现状随着硫系玻璃工艺的日趋成熟，硫系薄膜也逐渐引起了人们的关注。OPTICALEXP
15、RESS、OPTICALLETTER等刊物近几年相继发表了数十篇关于硫系薄膜波导制备及其在光器件应用的研究报道。如2004年YRUAN等人制备出以不同商用硫系玻璃（AS2S3、AS40S45SE15、AS24S38SE38）作为膜层材料的脊型单模波导，研究不同基质薄膜和波导结构下155M激光波长的传输特性。2006年，SAKOSTYUKEVICH等利用光诱导改变的特性将信息存入AS40S60硫系非晶半导体薄膜中，并对其工作原理做了一定研究。2007年，SNKORESHEV等对硫系非晶薄膜的全息光刻技术做了深入研究。2007年，SJMADDEN等人制备的AS2S3薄膜波导，成功应用于全光2R再生
16、。2009年FLUAN等人基于AS2S3薄膜波导实现了可应用于40GB/S速率、转换带宽高达80NM的波长转换器；2009年MGALILI等人用于高速640GB/S传输速率的全光解复用器在AS2S3薄膜波导上也实现技术突破；特别在澳大利亚国立大学激光物理中心（CUDOS）实现了集成波长转换器、光解复用器、光存储和光交换为一体的处理速率高达640GB/S的硫系光子芯片，被誉为下一代因特网数据处理中心。由此可见，硫系薄膜作为光器件的基础材料在未来的全光网络中具有极其重要的作用。在实际应用中，美国南安普顿大学光电子研究中心已经用这种方法成功在120到400摄氏度温度范围内制作出了GESBS三元非晶薄
17、膜，并且对其光学特性进行了测试。六、结论硫系非晶薄膜具有卓越的光学特性，应用范围越来越广。目前，国外对硫系非晶薄膜研究较多，也有了较大进展。从制备上看，不但制备方法多，还制作出了金属掺杂硫系非晶薄膜、掺杂稀土离子的硫系非晶薄膜。这些掺杂薄膜的出现使硫系非晶薄膜的性能更加完美，人们可以根据不同的需要调控非晶薄膜的组分就可以制备出相应的薄膜。从性能测试上看，随着测试方法不断完善演进，如射线衍射（）技术、超外差光克效应（）、扫描技术、电子扫描（）技术等，特别是三阶非线性极化率和双光子吸收系数可以准确的测出。从应用上看，硫系非晶薄膜的延伸范围在逐渐扩大，主要有全息记录、传感器、硫系薄膜集成光学器件、太
18、阳能电池等方面，有些已经正式投入使用，有一些正在进一步研发中，有待进入使用阶段。硫系薄膜光波导作为未来光器件重要的基础材料。如何最优化光波导的膜层材料选取、衬底材料选取和波导结构确定，从而进一步提高硫系薄膜光波导的传光特性显得尤为重要。由于硫系薄膜光波导独特的性能和高集成化以及规模生产的低成本，注定在未来的全光网络中具有重要的应用与影响。七、参考文献1李宝军,刘恩科2GEXSI1X/SI脊形光波导的最佳结构半导体光电,1997,181100158682刘淑平SOI脊形光波导结构参数的研究飞通光电子技术,2001,123刘淑平SOI脊形光波导的设计与研制太原重型机械学院学报,2001,22310
19、00159X4侯睿,何对燕,陈丹,李志宏SOI矩形光波导的有效折射率方法的研究半导体技术,20035李国正,刘淑平GE005SI095SI脊形光波导的光场分析及设计固体电子学研究与进展,1998,1816韩关云脊形单模硅光波导的设计光电子激光,1995,62100500867潘姬,赵鸿麟,杨恩泽硅单模脊形光波导的三维模拟及实测结果固体电子学研究与进展,1995,151100038198魏红振,余金中,张小锋,韩伟华,刘忠立,王启明,史伟,房昌水SOI及GESI/SI脊形光波导的模式与波导几何结构光学学报,2001,2159施斌,蒋最敏,王迅一种低损耗SIGE脊形光波导的结构和设计半导体学报,1
20、999,20100253417710高勇,冯松,杨媛,冯玉春基于OPTIWAVE的脊形SIGEOI光波导结构设计光子学报,2009,3871004421311李玉权,崔敏光波导理论与技术人民邮电出版社,20021212佘守宪高波光学物理基础北方交通大学出版社,2002713石成利硫系玻璃的研究及应用建筑玻璃与工业玻璃,200714薛建强,徐曼,龚跃球,赵修建硫系玻璃的制备、特性及应用光电子技术与信息,2003,16415刘启明,赵修建,顾玉宗,黄明举,顾冬红,干福熹硫系GEASS玻璃和薄膜的特性材料研究学报,2002年4月,16216NISHIIJ,INAGAWAM,LIZUKAR,ETALJ
21、NONCRYSTSOLIDS,1992,14032417CHURBANAOVMFJNONCRYTSOLIDS,1992,14019918GAMAMINJPHYSCHEMSOLIDS,62,921200119MNINCIMAYARADANAUL,GGULSEN,GAKTAS,INFRAREDPHYSICSTECHNOLOGY,38,227199720XINGAI,TINGHAN,AMRITAPRASAD,STEVEMADDEN,DUKYONGCHOI,RONGPINGWANG,DOUGLASBULLAANDBARRYLUTHERDAVIESPROGRESSINOPTICALWAVEGUIDESFABRICATEDFROMCHALCOGENIDEGLASSESOPTICALSOCIETYOFAMERICA，1302755（2010）
