轉(zhuǎn)自COMSOL博客，2017年 9月 19日，作者 Uttam Pal。

1870 年，人們觀看了一場水桶表演，舞臺上的兩個水桶上下套在一起，上面的桶開了一個小孔，彎曲的水流入下面的桶中。令觀眾驚訝的是，太陽光也隨著水一起發(fā)生彎曲——這種現(xiàn)象后來被稱為“全反射”。舞臺上的表演者是約翰·丁達爾，他是嘗試控制光的眾多科學家之一。

進入光子時代
幾十年來，研究人員一直致力于找到一種控制光傳播的方法，并將其用于信息的傳輸和處理，這一研究領域稱為光子學。近年來，由于光刻法、分子束外延和化學氣相沉積等技術的全面發(fā)展，科學家已經(jīng)能夠制造出納米結(jié)構(gòu)器件并控制光的傳播，預計光子將成為維持摩爾定律的理想選擇。

集成光路的起源
光子學的目標是能夠提供一種類似電集成芯片的的光集成芯片，它可以利用光子執(zhí)行所有需要的計算過程，同時又節(jié)省空間和時間?？蒲腥藛T將這種技術稱為集成光路（簡稱 PIC），它在一個基板上集成了不同的光學元件。原則上，這種光芯片能夠執(zhí)行各種光學操作，例如匯聚、拆分、隔離、偏振、耦合、調(diào)制以及檢測光。

集成光路示意圖，其中展示了不同的光學元件。詳見參考文獻 1。

開發(fā)用于 PIC 的光學元件
科研人員對構(gòu)成全功能 PIC 的不同光學元件進行了研究。

光源采用激光器，可以產(chǎn)生窄帶光源并傳送到集成芯片組件上；光纖，可以將光從一端傳輸?shù)綌?shù)千米之外的另一端；還有PIC 中最常見的組件：光波導，它可以連接基板上的不同元件。

輸入耦合器用來有效地將來自激光器或光纖的光耦合到基板上的光波導，而定向耦合器用來控制兩個平行光波導之間光的耦合。環(huán)形諧振器與濾光器的作用相同（也就是說，僅支持一個窄帶的頻率），并可以將兩個光波導以相反的方向耦合。

光學環(huán)形諧振腔陷波濾波器的示例。

探索非線性效應

一些科研人員通過研究非線性光學效應，設計出二次諧波和三次諧波。利用這些波，我們可以在兩個光束之間執(zhí)行運算，比如倍頻、差分和混頻。

另一項發(fā)明是光調(diào)制器。這些組件可以利用非線性電光效應基于所施加的直流偏壓電位來改變光強。

光子晶體：控制光的流動

從自然界可以觀察到，隨著高折射率和低折射率材料在一維、二維和三維中的周期性排列，它們有可能反射某一頻帶，同時允許另一頻帶通過。因此，這些材料可以在一定的周期性排列中同時充當濾波器和諧振器。不同介質(zhì)材料的周期性排列稱為光子晶體。

尋找傳光材料
懷著創(chuàng)建光波導以在芯片級封裝上傳光的想法，科研人員一直在考慮使用哪種材料。其中一種是高折射率的砷化鎵，它可用作芯層，并被低折射率的鋁砷化鎵包圍?？蒲腥藛T還開發(fā)了更先進的技術，在鈮酸鋰基板上涂鈦材料來增大其折射率并形成芯層。

科研人員將研究焦點落到硅材料上，硅比其他材料更容易獲取。該技術后來稱為硅基二氧化硅（Si-SiO2）或硅晶絕緣體（SOI），其中硅（高折射率，約為 3.5）嵌入二氧化硅（低折射率，約為 1.4）中。硅的制造技術已經(jīng)非常成熟（由電芯片技術帶動），同時，硅與 CMOS技術兼容，這推動了硅光子學技術的研究。

硅波導的不同配置
硅波導的關鍵在于折射率的高對比度，即相差約 50%。以前的技術依靠全反射來限制能量，在這種情況下，能量被限制在被低折射率包層包圍的高折射率纖芯中。然而，近年來的技術是限制與高折射率板相鄰的低折射率狹縫中的能量，這有助于降低損耗。

在高折射率下引導光

第一種技術是將能量限制在高折射率介質(zhì)中，其內(nèi)芯（百納米級）設計為被低折射率包層（二氧化硅）包圍的高折射率材料（硅）。折射率差必須高達 50%。

基模被限制在內(nèi)芯中，如下面的左圖所示；被限制的歸一化功率如下面的右圖所示。

左：1.55 um 工作波長下的基模。白色和黑色箭頭分別表示磁場和電場。右：穿過波導中心的歸一化功率密度。

在低折射率下引導光

雖然聽起來不合常理，但能量也可能被限制在低折射率介質(zhì)中。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，更多的能量停留在均勻且狹窄的區(qū)域（20 到 80 nm），這使得低折射率介質(zhì)更適合與光路集成。

這種設計包含兩塊高折射率板，位于一個低折射率納米狹縫的鄰近處，相當多的能量被限制在該狹縫中。

左：寬 50 nm 的狹縫的橫向（Ex）場。右：穿過波導中心的歸一化橫向電場（Ex）。

為了分析通過波導傳輸最大功率所需的納米狹縫寬度，我們必須執(zhí)行寬度掃描，如下圖所示。

狹縫中的歸一化功率和強度與狹縫寬度的關系。

硅波導的設計和原型制作
制造這樣一個光波導原型并對其進行分析需要耗費大量的資源。首選方法是使用軟件工具，如 COMSOL軟件，借助這一仿真工具，我們可以快速建立原型，并在最終確定要制造的原型之前做進一步的研究。

我們可以使用 COMSOL對硅波導的二維橫截面進行模式分析（高折射率和低折射率兩種情況），這樣，可以評估波導的有效折射率和基模，從而有助于我們理解歸一化功率分布。

我們先建立光波導三維幾何結(jié)構(gòu)，并在波導的兩端指定數(shù)值端口 邊界條件，從而實現(xiàn)兩種波導的全三維傳播，然后可以在這些數(shù)值端口上應用邊界模式分析研究（類似于二維模式分析），計算它們的基模。在頻域研究中，基模可用于在波導內(nèi)傳播，如下圖所示。

長度為 10 um 的硅波導在高折射率限制情況下傳播的磁場的 y 分量。

長度為 10 um 的硅波導在低折射率限制情況下傳播的電場的 y 分量。

參考文獻

B.E.A. Saleh and M.C. Teich, Fundamentals of Photonics.
K. Yamada, “Silicon Photonic Wire Waveguides: Fundamentals and Applications”, in Silicon Photonics II, 2011.
V. Almeida, Q. Xu, C. Barrios, and M. Lipson, “Guiding and confining light in void nanostructure”, Optics Letters, vol. 29, pp. 1209–1211, 2004.
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審核編輯 黃宇