07年09月JLT：导波光学专刊
发布时间：2007-10-02 06:04:11 热度：3482
不支持该视频 10/1/2007, 作者 浙江大学 宋军博士
在光学里按照涉及领域的不同，又分为若干个子学科，而其中与光通讯联系最紧密的应该是导波光学了。在光通讯里应用的绝大多数有无源器件，包括光纤在内，都需要导波光学做理论支撑，因此获悉导波光学的发展近况，对了解光通讯的应用发展具有一定启发意义。本期JLT是一个关于导波光学理论研究的专刊。由于专刊侧重于理论研究，因此如果按照以往那样介绍主要论文的研究内容，会显得枯燥晦涩，因此这里我打算打破常规，对本期的文章不侧重于内容，而将按照不同的主题对这些论文做一些总结与分析。
导波光学中的新兴概念：
新型波导结构：
自导波光学开始成为一门独立学科以来，基于硅基二氧化材料的波导一直是占据主导地位的技术，这类低折射率差（Δn<1%）波导结构具有低损耗、低偏振相关损耗、低双折射、易与光纤对接等优势。但至90年代末期以来，由于大规模集成器件的广泛应用，人们在关注器件性能的同时，也越来越在意器件的尺寸因素。因此更适合大规模光电一体化集成的SOI材料变成了新的研究主体。然而这种大折射率差（Δn>100%）波导虽然能够实现低损耗直角弯曲和大规模光电集成，但其偏振较为敏感。本期专刊有篇来自意大利研究者的特邀论文，提供了一种全新的波导结构，其使用低折射率材料做芯层（氧化硅），在芯层外使用薄薄一层高折射率材料（氮化硅），这种被称为盒子型波导的结构，将能量限制在薄的高折射率材料周围，同时拥有硅基二氧化硅波导和SOI波导的双重优势，既能获得较好的传输性能，也适合大规模集成，其单模波导截面尺寸大约为1平方微米左右。作者在对该波导结构做电磁场分析以后，也通过实验测试了波导相关性能，作者暗示制作这种盒子波导，最好的是采用LPCVD工艺。
小型化：
上面已提到，在90年代末期以来，器件的小型化在光集成器件应用中占据越来越主要的地位。从这次专刊可以看到，小型化是研究的重点。从小型化渠道来看，主要有光子晶体、纳米硅材料、表面等离子波材料等。而这些纳米结构的波导之所以受到关注，并不仅仅是因为其可以获得紧凑的器件结构，更主要的是因为由此诞生了许多独特的光学现象，例如一些特定结构的纳米波导其非线性系数比传统波导高几个数量级，因此只需要较低的输入光功率就可以产生较大的非线性效应。进而诞生了低功率非线性效应这个独立学科。如果这些得到良好运用，将硅等非线性系数较小的材料应用在光放大、波长转换等有源器件中，进而光电一体化集成都更加可行。本期文章较多，但特邀论文不多，另一篇来自麻省理工的论文就是关于纳米波导非线性特性分析的。
慢光效应：
最近一个普受关注的光学热点是慢光，所谓慢光就是利用特殊的媒介或结构，控制光的群速度，甚至接近零。这样人为的让光“慢”下来。慢光一个最根本的运用在于光存储和光延时，众所周知，全光交换的一个难点就在于可用光延时技术的缺乏，现有的技术基本都依赖于光纤延时线结构。专刊里有一篇荷兰研究者的文章，作者利用双端口环形共振器结构，可以灵活的调控群速度，让其快或慢，正或负。
表面等离子波导：
所谓表面等离子波导就是利用“金属-介质-金属”或“介质-金属-介质”的结构，让光贴着金属表面以等离子波的形式向前传播，表面等离子波导事实上早在1902年就已经被提出并被广泛研究。但最近研究突然异常火热，只去年就有几百个课题组对此立项研究。前不久，有幸听到了“光子晶体之父” Yablonovitch教授的一个报告，但其中并没有听到任何关于光子晶体的内容，因为他把研究重点放在了基于表面等离子波的纳米聚焦结构上。从光集成化的角度而言，表面等离子波导并不是理想化的光电器件载体，因为金属本身具有相当大的吸收系数，因此传输损耗相当大。但表面等离子是基于金属和介质两种材料的结合，因此很自然想到其具有天然的桥接优势，可以将电子集成电路芯片和光学半导体芯片以表面等离子波的形式连接在一起。专刊里涉及到表面等离子波的文章也有很多，内容上主要涉及模拟方法、亚波长结构实现以及传感应用等内容。
理论研究方法：
对集成波导器件的仿真设计以前最多的是基于束传播方法（BPM），但从本期的论文来看，研究方法已经朝着更复杂，精度要求更高的一些数值方法演变。专刊里应用最多的仿真方法主要是时域有限差分（FDTD）和有限元（FEM）方法。前者直接对Maxwell方程进行差分，并没有做时谐场近似，后者主要基于变分方法，将计算区域分为若干个三角形。这里并不打算对这些仿真过程和结果做更多介绍，但从这些方法的运用可以清晰揭示导波光学的发展趋势。首先FDTD的广泛应用证明光集成正朝着小型化发展，器件经常是亚波长结构且具有强反射、强非线性等特点。而FEM的广泛使用主要是因为器件结构变得更加复杂化，因为FEM相比差分方法一个优势就是更适应不规则面形的分析。
而对一些特殊应用，如对非线性特性分析等也有许多作者利用更简便的方法，入微扰理论、耦合模理论等，这些研究都是希望在获得与精确方法如FDTD相当计算精度的同时，提高计算效率并获得相对显式的物理结果。
研究热点：
光子晶体：
虽然光子晶体已经被研究了20年，但目前仍是导波光学这一块拥有研究人数最多的方向。本期专刊，有超过三分之一的文章都是关于光子晶体研究的。但研究内容已表现的相当多样化。
在理论方面主要是对一些特殊结构作更精确的仿真，例如三星电子的研究者对二维非正交元胞的光子晶体用FDTD方法做了分析；德国的研究者则对准周期性光子晶体的缺陷模式做了分析；Corning公司的研究者对光子晶体光纤结构扭曲带来的缺陷做了模拟分析；Texas大学的研究者者则对三维光子晶体的反射问题做了研究。
而光子晶体方面更多的内容是侧重于应用，应用场合也相当多元化，例如，法国研究者在二维光子晶体中引入合适缺陷设计了结构紧凑的波分复用器；英国研究者通过使用短的光子晶体结构设计了脉冲压缩器，以便获得超快脉冲；Utah大学的研究者在脊形波导里加入一维光子晶体结构，降低损耗的同时改变波导光学特性；成都电子科技大学的研究者利用一维光子晶体中的半波相移特性制作了多通道滤波器；波兰研究者将光子晶体结构与VCSEL激光器相结合，改善了激光输出的单模特性，并提高了功率；北海道大学的研究者靠压制光子晶体光纤中的高阶模和表面模，设计了大孔径光子晶体光纤。
波导集成器件：
在传统光波导方面研究主要围绕新型波导结构、光电集成、新型器件应用等。首先应该特别关注环形微共振器这个结构，因为这个结构是近些年来受到关注最多，应用最广泛的波导结构之一。通过两根直波导与一个环状的波导两端靠近，在形成共振时可以将一根波导耦合进入另一根波导中，通过外加电极改变共振条件，进而可以改变输出端口。这个结构虽然简单，但由于利用了共振特性，因此滤波边缘陡峭，很适合信号路由使用。在可调耦合器、偏振分束与转换、波长转换、色散补偿、可调光开关等场合都可以看到该结构的运用。本期关于该结构仿真与运用的文章也很多，包括前面提到的慢光生成等。还有一篇法国的研究，利用具有克尔非线性的环形共振器来实现功率转换，进而改善信噪比，起到脉冲整形的作用，可以用在3R系统里。
此外光波导器件这一块，研究较多的器件和效应还包括：量子阱效应的运用、VCSEL激光器改进、高消光比的偏振分束器设计等。
而光电集成芯片（OEIC）这一块正朝向高集成密度方向发展，例如比利时研究者提出了多层光集成芯片的布局方案，并对工艺误差对性能的影响做了分析。在电子电路上多层制版已经是广泛应用的技术，甚至高达十几层的电路布线都可以实现。但在光集成器件上，这还是一个探索性话题，因为即使单层的OEIC目前还有许多技术问题，要实现多层布板，需要面对的问题更多。
在光学里按照涉及领域的不同，又分为若干个子学科，而其中与光通讯联系最紧密的应该是导波光学了。在光通讯里应用的绝大多数有无源器件，包括光纤在内，都需要导波光学做理论支撑，因此获悉导波光学的发展近况，对了解光通讯的应用发展具有一定启发意义。本期JLT是一个关于导波光学理论研究的专刊。由于专刊侧重于理论研究，因此如果按照以往那样介绍主要论文的研究内容，会显得枯燥晦涩，因此这里我打算打破常规，对本期的文章不侧重于内容，而将按照不同的主题对这些论文做一些总结与分析。
导波光学中的新兴概念：
新型波导结构：
自导波光学开始成为一门独立学科以来，基于硅基二氧化材料的波导一直是占据主导地位的技术，这类低折射率差（Δn<1%）波导结构具有低损耗、低偏振相关损耗、低双折射、易与光纤对接等优势。但至90年代末期以来，由于大规模集成器件的广泛应用，人们在关注器件性能的同时，也越来越在意器件的尺寸因素。因此更适合大规模光电一体化集成的SOI材料变成了新的研究主体。然而这种大折射率差（Δn>100%）波导虽然能够实现低损耗直角弯曲和大规模光电集成，但其偏振较为敏感。本期专刊有篇来自意大利研究者的特邀论文，提供了一种全新的波导结构，其使用低折射率材料做芯层（氧化硅），在芯层外使用薄薄一层高折射率材料（氮化硅），这种被称为盒子型波导的结构，将能量限制在薄的高折射率材料周围，同时拥有硅基二氧化硅波导和SOI波导的双重优势，既能获得较好的传输性能，也适合大规模集成，其单模波导截面尺寸大约为1平方微米左右。作者在对该波导结构做电磁场分析以后，也通过实验测试了波导相关性能，作者暗示制作这种盒子波导，最好的是采用LPCVD工艺。
小型化：
上面已提到，在90年代末期以来，器件的小型化在光集成器件应用中占据越来越主要的地位。从这次专刊可以看到，小型化是研究的重点。从小型化渠道来看，主要有光子晶体、纳米硅材料、表面等离子波材料等。而这些纳米结构的波导之所以受到关注，并不仅仅是因为其可以获得紧凑的器件结构，更主要的是因为由此诞生了许多独特的光学现象，例如一些特定结构的纳米波导其非线性系数比传统波导高几个数量级，因此只需要较低的输入光功率就可以产生较大的非线性效应。进而诞生了低功率非线性效应这个独立学科。如果这些得到良好运用，将硅等非线性系数较小的材料应用在光放大、波长转换等有源器件中，进而光电一体化集成都更加可行。本期文章较多，但特邀论文不多，另一篇来自麻省理工的论文就是关于纳米波导非线性特性分析的。
慢光效应：
最近一个普受关注的光学热点是慢光，所谓慢光就是利用特殊的媒介或结构，控制光的群速度，甚至接近零。这样人为的让光“慢”下来。慢光一个最根本的运用在于光存储和光延时，众所周知，全光交换的一个难点就在于可用光延时技术的缺乏，现有的技术基本都依赖于光纤延时线结构。专刊里有一篇荷兰研究者的文章，作者利用双端口环形共振器结构，可以灵活的调控群速度，让其快或慢，正或负。
表面等离子波导：
所谓表面等离子波导就是利用“金属-介质-金属”或“介质-金属-介质”的结构，让光贴着金属表面以等离子波的形式向前传播，表面等离子波导事实上早在1902年就已经被提出并被广泛研究。但最近研究突然异常火热，只去年就有几百个课题组对此立项研究。前不久，有幸听到了“光子晶体之父” Yablonovitch教授的一个报告，但其中并没有听到任何关于光子晶体的内容，因为他把研究重点放在了基于表面等离子波的纳米聚焦结构上。从光集成化的角度而言，表面等离子波导并不是理想化的光电器件载体，因为金属本身具有相当大的吸收系数，因此传输损耗相当大。但表面等离子是基于金属和介质两种材料的结合，因此很自然想到其具有天然的桥接优势，可以将电子集成电路芯片和光学半导体芯片以表面等离子波的形式连接在一起。专刊里涉及到表面等离子波的文章也有很多，内容上主要涉及模拟方法、亚波长结构实现以及传感应用等内容。
理论研究方法：
对集成波导器件的仿真设计以前最多的是基于束传播方法（BPM），但从本期的论文来看，研究方法已经朝着更复杂，精度要求更高的一些数值方法演变。专刊里应用最多的仿真方法主要是时域有限差分（FDTD）和有限元（FEM）方法。前者直接对Maxwell方程进行差分，并没有做时谐场近似，后者主要基于变分方法，将计算区域分为若干个三角形。这里并不打算对这些仿真过程和结果做更多介绍，但从这些方法的运用可以清晰揭示导波光学的发展趋势。首先FDTD的广泛应用证明光集成正朝着小型化发展，器件经常是亚波长结构且具有强反射、强非线性等特点。而FEM的广泛使用主要是因为器件结构变得更加复杂化，因为FEM相比差分方法一个优势就是更适应不规则面形的分析。
而对一些特殊应用，如对非线性特性分析等也有许多作者利用更简便的方法，入微扰理论、耦合模理论等，这些研究都是希望在获得与精确方法如FDTD相当计算精度的同时，提高计算效率并获得相对显式的物理结果。
研究热点：
光子晶体：
虽然光子晶体已经被研究了20年，但目前仍是导波光学这一块拥有研究人数最多的方向。本期专刊，有超过三分之一的文章都是关于光子晶体研究的。但研究内容已表现的相当多样化。
在理论方面主要是对一些特殊结构作更精确的仿真，例如三星电子的研究者对二维非正交元胞的光子晶体用FDTD方法做了分析；德国的研究者则对准周期性光子晶体的缺陷模式做了分析；Corning公司的研究者对光子晶体光纤结构扭曲带来的缺陷做了模拟分析；Texas大学的研究者者则对三维光子晶体的反射问题做了研究。
而光子晶体方面更多的内容是侧重于应用，应用场合也相当多元化，例如，法国研究者在二维光子晶体中引入合适缺陷设计了结构紧凑的波分复用器；英国研究者通过使用短的光子晶体结构设计了脉冲压缩器，以便获得超快脉冲；Utah大学的研究者在脊形波导里加入一维光子晶体结构，降低损耗的同时改变波导光学特性；成都电子科技大学的研究者利用一维光子晶体中的半波相移特性制作了多通道滤波器；波兰研究者将光子晶体结构与VCSEL激光器相结合，改善了激光输出的单模特性，并提高了功率；北海道大学的研究者靠压制光子晶体光纤中的高阶模和表面模，设计了大孔径光子晶体光纤。
波导集成器件：
在传统光波导方面研究主要围绕新型波导结构、光电集成、新型器件应用等。首先应该特别关注环形微共振器这个结构，因为这个结构是近些年来受到关注最多，应用最广泛的波导结构之一。通过两根直波导与一个环状的波导两端靠近，在形成共振时可以将一根波导耦合进入另一根波导中，通过外加电极改变共振条件，进而可以改变输出端口。这个结构虽然简单，但由于利用了共振特性，因此滤波边缘陡峭，很适合信号路由使用。在可调耦合器、偏振分束与转换、波长转换、色散补偿、可调光开关等场合都可以看到该结构的运用。本期关于该结构仿真与运用的文章也很多，包括前面提到的慢光生成等。还有一篇法国的研究，利用具有克尔非线性的环形共振器来实现功率转换，进而改善信噪比，起到脉冲整形的作用，可以用在3R系统里。
此外光波导器件这一块，研究较多的器件和效应还包括：量子阱效应的运用、VCSEL激光器改进、高消光比的偏振分束器设计等。
而光电集成芯片（OEIC）这一块正朝向高集成密度方向发展，例如比利时研究者提出了多层光集成芯片的布局方案，并对工艺误差对性能的影响做了分析。在电子电路上多层制版已经是广泛应用的技术，甚至高达十几层的电路布线都可以实现。但在光集成器件上，这还是一个探索性话题，因为即使单层的OEIC目前还有许多技术问题，要实现多层布板，需要面对的问题更多。
