1、专题聚焦中文核心期刊新型的 S i 基量子线光波导及其对发展集成光学的意义王兆宏， 唐天同， 陈 时（ 西安交通大学 电子科学与技术系， 西安 ）摘 要： 新型的 基量子线光波导具有亚波长甚至纳 基量子线光波导的结构和原理米尺度的光限制能力， 还可以实现小曲率半径的低损 基量子线单模波导的结构如图 所示， 利用 耗光传输， 因此可以实现高密度集成和纳米集成，成 单 晶 上 的 实 现 导 波 功 能 ； 亚 微 米 尺 寸 （ 为集成光学领域的研究热点。文章简要介绍 基量 ） 的 （ 折 射 率 ） 作 为 通 道 波 导 ， 厚 的子线光波导的结构和原理、独特优势及其在发展高密 薄膜（ 折射
2、率 ） 作为包覆层。度密集纳米集成光路上的应用， 并预测了应用于未来 基 量 子 线 波 导 是 利 用 全 内 反 射 的 原 理 将 光 波集成光路中的新型导光波导的发展方向。 能量集中在高折射率的夹层内实现导波功能的 ， 这与关键词 ： 集成光学； 基量子线光波导； 阵列波导光 传统的平面光波导类似。然而不同的是， 在传统的光栅； 喇曼激光器； 光分插复用器 波导中， 波导区的折射率 与衬底区的折射率 相中图分类号： 文献标志码： 差非常小， 通常 仅为 甚至更 小； 而且传统 光波导 的横向尺寸一旦小于光波长， 内部的光波能量急剧下 引言 降， 任何模式均难以传输。图 所示的 基量子线
3、弯 随着光通信和信息处理系统中传输容量的迅速 曲波导是利用折射率远高于衬底和覆盖层折射率的增加和光信号并行化处理程度的不断扩大， 数据传输 材料实现导波特性的。由于存在相当大的折射率差速率在 （ ）范围内的 新一代信 息超高速公 异， 基量子线光波导既? 梢允迪盅遣 暮嵯虻疾 肥圃诒匦小 愕苯裥畔贝 囊螅?光学器件 结构， 也可以实现小曲率半径的低损 耗传输。弯曲波的发 展 已 经 从 传 统 的 离 散 光 学 器 件 发 展 到 目 前 的 集 导的曲率半径通常为微米及亚微米量级 ， 可以实现近成光学阶段。 为了使集成光学器件具有所需要的各种 的 弯 折 角 ， 其 弯 曲 损 耗 甚 至
4、 可 以 达 到 以 角功能， 通常需要在一个衬底基片上组合起各种形状的 下 。关于 基量子线波导如何利用高折射率差异实一维（ 一个方向上限制光波） 和二维（ 两个方向上限制 现导波低损耗传输、波导内部传输模式等理论分析还光波） 光波导。目前应用的主要是二维光波导， 制作成 未见报道。表 比较了用于光通信波长范围内的传统波导型集成光学器件（ 集成光路） 。各种形式的二维条 介质平面光波导和纳米量子线光波导的基本参数。形光波导可以用来将光功率馈入各个光器件， 使光功率由器件引出， 或者使不同器件之间形成耦合或连接。 基 量 子 线 波 导 具 有 可 以 在 亚 波 长 甚 至 纳 米 范围内横
5、向限制光能和可以实现小曲率半径的低损耗传输的 独特优 势 ， 因 此 可 以 实 现 小 尺 寸 、 集 成 度 的 高无源集成光学器件。利用 基量子线还可以实现半导 （） 弯曲波导截面图 （）弯曲波导示意图体激光器、光放大器、波长转换器等器件， 可以制成低 图 基量子线弯曲波导成本的全 单片集成光路。而且 基量子线的制作 表 传统的二维条形光波导和二维纳米量子线光波导的比较工艺与微电子集成制作工艺兼容， 很容易实现与电子 传统波导 纳米量子线波导器件的光电集成。正是由于 基量子线和 单晶材 半导体、晶体或 波导材料 料本身的独特优势， 得到了研究人员的广泛关注。 无定型介质材料 波导厚度（
6、量级） 亚微米 ，收稿日期： 。 波导宽度（ 量级） 亚微米 ，作 者 简 介 ： 王 兆 宏 （ ）， 女 ， 讲 师 （ 电 子 邮 件 ： 弯曲曲率半径（ 量级） 亚微米 微米 ） ， 研究方向为集成光无源器件的理论与工艺研究。 定向 耦 合器 耦 合长 度 （ 量级 ） 微米 年第 期 光通信技术 quot 专题聚焦王兆宏， 等： 新型的 基量子线光波导及其对发展集成光学的意义 集成电路之所以实现超大规模集成 ， 得益于其电 放大器主要是利用 、 及其三元或四元化合物传输线可以 任 意 弯 曲 排 列 且 其 横 向 尺 寸 （ 线 宽 ） 可 以 实现的， 因为体材料的 单晶是直接带
7、隙半导体而限达到纳米量级。量子线光波导的出现， 意味着量子线 制了它作为激光器和放大器的使用。 量子线的出现将有可能代替传统的大曲率半径弯曲的横向尺寸为 大大改善了这种局面， 年以来，利用 基量子线微米量级的传统的平面介质光波导， 以此为基础探索 波导 实 现 受 激 喇 曼 光 发 射 和 光 放 大 功 能 进 行 了 大 量集成光路的超大规模集成。因此， 纳米量子线光波导 的研究报道 。目前， 利用 基量子线既可以制作激有望成为结构紧凑、小尺寸的高密度密集纳米集成光 光器和光放大器等光有源器件， 也可以制作光开关、路的关 键组件。 光分插复用器、滤波器等光无源器件。这就意味着， 从 光源
8、、光波 导到光探 测器的全 单片集成光路已经可 基量子线光波导 在发展高密度密集纳米集 以实现。成光路上的应用 基于低损耗 单模弯曲 基 量子线波导 谐振腔的 近两年来， 基量子线波导用于纳米集成光路的 喇曼激光器如图 所示 ， 基量子线波导弯曲部分 研究极其活跃， 和 年的 的期刊、学报 的 曲 率 半 径 为 ， 弯 曲 损 耗 为 （）以 及会议 （ ， 在 基量子线波导中包括一个具有反向偏压的 ） 上就 发表了很多关于 基量子线波导器件的 二极管结构。 波长 的泵浦光通过波长解复文章， 其中包括了制作工艺、波导特性参数、功能器件 用器后被一个带有透镜的光纤耦合到波导谐振腔中，尺寸及工作
9、性能与应用领域等研究。利用 基量子线 受激喇曼光输出波长为 ， 激光器阈值功率为波导已经实 现 了 阵 列 波 导 光 栅 、 曼 激 光 器 、 放 大 喇 光 ， 激光器增益为 。这个研究成果向实用化器、全光波长转换器、光分插复用 器、高速光开 关、超 的能与其它 基光电子组件兼容的全 激光器和光小型滤波器等光学器件。 放大器迈进了重要的一步。 超小型阵列波导光栅 实用化的超小型光分插复用器 利用传统的低折射率差异光波导制作的阵列波 年 等 首次报 道了利 用 基 量 子导光栅的典型尺寸为 ，通过器件结构优化设计可 线波导构成的布喇格反射型光分 插复用器。 利用两个以实现 量级的最小尺寸。
10、利用高折射率差异的 带有布喇格 光栅的 基 量 子 线 的 直 波 导 和 两 个 基量子线波导制作的超小型阵列波导光栅器件尺寸 耦合器构成的光分插复用器如图 所示。 由图 可以 可以减小到大约 的数量级 ， 图 所示的 基 看出： 波导层的尺寸为 ； 耦合器的长量 子 线 实 现 的 阵 列 波 导 光 栅 的 器 件 总 尺 寸 仅 为 度 为 ， 两 个 波 导 间 间 隙 为 ； 光 栅 的 周 期 为 ， 通道间隔 为 ， 串 扰 为 ， 器 件 总 损 耗低于 ； 如该阵列波导光栅的串扰能进一 步降低到 以下， 将可作为复用解复用器进行实际应用 。 喇曼激光器 长期以来， 集成光学
11、中使用的半导体激光器和光 （ ） 带 有 结构的 量子线脊形波导 （） 喇曼受激发光装置 图 基量子 线波导构成的阵列波导光栅 图 基量子线波导激光谐振腔和实验装置quot 光通信技术 年第 期 专题聚焦 王兆宏， 等： 新型的 基量子线光波导及其对发展集成光学的意义 ， ， （）： ， ， ， ， ， （）： ， ， ， ， ， （）： ， ， ， 图 基量子线波导构成的光分 插复用器 ， ， （）： 。该光分插复用器的总长度为 ， 比利用 ， ， 传统平面介 质 光 波 导 所 实 现 的 器 件 长 度 小 个 数 ，量级。器件分出波? 姆直媛市?， 调整布喇格 ， （）： ， 光栅的周期可以改变分出波长。由此可见， 基量子 ， ， （）： 线波导构成的超小型光分 插复用 器可以在密 集波分 ， ， ， 复用系统中实现实用化工作。 ， ， ： 为进一步实现小尺寸、高密度的密集纳米集成光 ， ， ， ， ， （）：路， 需要进行以下工作： （ ） 进行光波导最佳制作工艺 的研究， 以减小波导传输损耗、弯曲损耗， 实现更为紧 凑的高性能波导结构； （ ） 光波导的完整理论、结构优化以及数值计算方法的研究； （ ） 采用新原理、新方 法、新工艺制 作 小 型 化 、 性 能 的 亚 波 长 光 波 导 ； （ ） 高 .
