基础教程|一文读懂硅基光电子波导

简介

硅基光电子技术将硅的电子信号处理能力与光通信的速度和带宽结合在一起，标志着在数据传输的重大飞跃。通过在单个硅芯片上集成光子和电子组件，极大地提高电信、数据中心网络和高速互联网服务的性能、效率和成本效益。硅基光电子技术的核心是波导，即在芯片内限制和引导光的通道。要优化光子器件的设计和功能，了解复杂的模式剖面（光在这些波导中传播的特定模式）和弯曲损耗（由于波导曲率而造成的光损耗）很重要。本文将探讨这些方面，深入介绍如何在硅结构中操纵光，以实现光通信系统的高性能和高可靠性。

了解硅基光电子波导

硅基光电子波导是集成光路的骨干，能够在微观上精确控制和操纵光。硅材料以其优异的光学特性和与现有半导体制造工艺的兼容性而着称，这些波导以高效率和最小损耗引导光信号。这种能力对于包括电信、数据通信和传感器在内的众多应用至关重要，因为与传统的电子传输方式相比，光信号的速度和带宽具有显着优势。

光电芯片微型化的动力主要来自于对更高数据传输速率和更低功耗的小型化需求。硅具有高折射率对比度和支持光学组件密集集成的能力，是实现这一目标的理想平台。可以制造出将光限制在极小尺寸内的波导，从而在比指甲盖还小的芯片上集成数千种光学功能。这种微型化不仅缩小了光电器件的尺寸，降低了成本，还通过减少光损耗和功耗提高了性能。

此外，硅与互补金属氧化物半导体（CMOS）技术的兼容性促进了电子和光学组件在同一芯片上的共同集成，为光电子融合带来了新的可能性。在硅平台上实现光子技术和电子技术之间的协同增效，对于推动光通信领域的发展，实现更高效、可扩展和多功能的光路，具有举足轻重的作用。利用现有半导体制造基础设施的能力进一步加快了硅基光子技术的开发和应用，使其成为现代光通信系统的基石。

图1：兼容于CMOS工艺的硅基光电子波导截面图，左图以及右图分别为条型以及脊型光波导

探索模式剖面 (Mode Profile)

硅基光电子波导中的模式剖面是了解光如何在这些结构中传播的基础。从本质上讲，模式剖面描述了波导内光场的分布，对于确定波导的光学特性和性能非常重要。模式剖面主要有两种类型： 横向电场 (TE)，电场主要位于波导平面内；横向磁场 (TM)，磁场主要位于波导平面内。每种模式都具有影响波导设计的独特特性，如偏振灵敏度和模态色散。

图2：TE的基本模式轮廓，该模式的有效指数为2.845，使用特征模式求解器(eigenmode solver)计算得出。波导尺寸用灰色区域表示。

 图3：硅基光电子波导的结构以及模场截面图

在硅波导中，TE 模式通常更受青睐，因为具有更强的约束性和更低的传播损耗，尤其是在紧密约束结构中。另一方面，TM 模式由于与波导表面相互作用，会产生较高的损耗，因此在某些应用中并不理想。不过，在需要特定极化特性或与电场相互作用的器件中，TM 模式可能更具优势。

图4：板状(slab)波导的基本模式概况（TE）。该模式的有效折射率为 2.845。使用本征模求解器(EME)计算得出。波导尺寸由灰色区域表示 [1]。

 图5：板状 (slab)波导中第二模式的模式概况（TM）。该模式的有效折射率为 2.054。使用本征模求解器(EME)计算得出。波导尺寸由灰色区域表示 [1]。

波导的宽度对模式的支持和传播起着很重要的作用。窄波导往往支持单模运行，由于其简单性和较低的色散，在许多应用中都是首选。随着波导宽度的增加，可以支持多种模式，从而导致模式色散，并可能使器件设计和性能复杂化。因此，仔细控制波导尺寸对确保最佳性能很重要，而单模工作通常是硅基光电子电路实现高质量信号传输的关键设计目标。

克服弯曲损耗

硅基光电子波导中的弯曲损耗是高效设计光电子电路的关键考虑因素。光在弯曲波导中传播时会产生这些损耗，导致辐射损耗、模式失配和散射。辐射损耗发生的原因是光倾向于直线传播，而在紧密弯曲的波导中会辐射开。当弯曲处的模式剖面发生扭曲，导致直线部分和弯曲部分之间的耦合效率低下时，就会发生模式失配。散射损耗是由表面粗糙度和瑕疵造成的，而弯曲又加剧了这种损耗。

为了尽量减少弯曲损失，可采用了几种策略。增大弯曲半径可减小曲率，使光线的传播更接近其自然直线路径，从而减少辐射损耗。引入锥度或模式转换器可通过逐渐调整从直线部分到弯曲部分的模式剖面，从而减轻模式失配。利用肋波导或设计欧拉弯曲可确保模式在波导芯内保持良好的约束，从而最大限度地减少辐射和散射损耗。

图6：实验中500 × 220纳米条形波导的弯曲损耗与半径的关系 [1]。

 图7：直波导（左）和相同波导在2微米半径处弯曲（右）的电场模式概况（线性、对数刻度），波导为500 × 220纳米条形波导 [2]

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进一步降低弯曲损耗的先进技术包括模式转换（光在不同模式之间转换，以更有效地通过弯曲）和超材料的使用，后者可以在不产生明显损耗的情况下使光弯曲得更锐利。这些方法需要精确的设计和制造技术，但却有可能制造出高度紧凑、高效且弯曲损耗最小的硅基光电子电路。

未来方向和新兴趋势

硅基光电子技术的未来充满了创新研究领域和技术进步。例如：异质集成，在硅平台上集成不同的材料，可扩展光电子器件的功能，使激光器和放大器等应用直接在硅芯片上实现。非线性器件利用硅和其他集成材料的非线性光学特性，正在释放信号处理、波长转换和光学计算方面的能力。片上光谱技术有望为环境监测、医疗保健和化学分析提供小巧、高灵敏度的传感器。

先进的制造技术将进一步革新这一领域。直接激光写入和纳米压印光刻技术为创建复杂的光子结构提供了前所未有的精度和可扩展性，从而降低了光电子器件的成本并提高了其性能。这些进步正在为下一代光电子器件建立基础，这些器件更加紧凑、高效，能够应对电信、计算和传感应用领域的各种挑战。

结论

本文概述了硅基光电子波导的基本方面，强调了解模式剖面和弯曲损耗对于设计高效器件的重要性。通过探讨 TE 和 TM 模式的复杂性、波导尺寸的影响以及减少弯曲损耗的策略，强调了这些因素在优化光子电路性能方面的关键作用。随着硅基光电子技术领域的不断发展，进一步的探索和创新对于利用通信和传感技术领域的新机遇很重要，这将促使未来的光电子器件比以往任何时候都更加集成、高效和强大。