波导

2021-02-22 14:20:49 浏览:605

定义

一种可以传播光的空间不均匀结构。

光学波导是可以传播光的空间非均匀结构,即将光限制在一个空间区域内进行传播。通常,波导包含一个相比于周围介质(包层)折射率较大的区域。然而,导波还可以利用金属层界面处的反射来实现。有些波导结构还与金属介质界面处的等离子体效应有关。

图 1 两种不同的波导结构。平板波导只在竖直方向传播光,而沟道波导则可以在两个方向上导波。

大多数波导都可以在两个方向上导波,因此导波电场被限制在两个方向上,主要在一个方向上传播。例如,图1中的沟道波导。最重要的二维波导是光纤。还有一维波导,称为平板波导。

波导制造

有很多不同的技术可以制造电介质波导。例如:

  • 可以采用外延或者抛光方法利用各种晶体和玻璃材料制造平板波导。波导结构可以在器件顶端制作(如图1左侧图),也可以在其他固体层之间制作波导结构。
  • 半导体、晶体和玻璃材料中的沟道波导可以采用刻蚀方法与外延、离子交换或者热扩散方法结合制作。也可以在波导表面生长额外的一层制作掩埋式波导。这样可以得到更低的传输损耗和更对称的模式分布。
  • 光纤可以通过拉制预制棒得到,后者为一个具有内禀折射率分布的大的玻璃棒。光纤也可以通过进一步减小尺寸拉制成波导结构,极限情况下得到纳米光纤。
  • 采用聚焦的脉冲激光光束可以将波导写入透明介质中,这里利用了激光诱导击穿以及相关的现象。在玻璃中,受影响的部分具有较大的折射率,因此直接可以用于导波。在晶体中,折射率可能会减小,这时需要处理一些波导周围的区域。

在不同制造方法之间权衡比较复杂。需要考虑诸如成本、灵活性和制造的可重复性、传播损耗、材料的副作用(例如,加热或不扩散材料引起的)、最佳模式尺寸和耦合到其它波导的对称性等因素。

波导模式

如果波导尺寸很大,可以采用射线光学来描述入射光的传播情况。但是,如果存在干涉效应,这种描述就不准确了,后者在很小的波导尺寸情况下会出现。这时需要将光描述成波的形式,理论基础为麦克斯韦方程,通常需要采用一些近似来简化。

常常需要描述在给定光频率和偏振的情况下,垂直于入射平面的电场分布。感兴趣的是在传播过程中电场不发生改变的光,相位变化除外。这一场分布于波导模式有关。图2给出了多模光纤导波模式的例子。每一个模式都对应一个传播常数,其虚部表示单位传播距离的相位延迟。光纤还有很多非导波模式(包层模式),它们并不限制在光纤纤芯中。

图 2 光纤中所有导模的电场振幅分布。两个颜色代表电场的正负号。最低阶模式(l=1,m=0)的强度分布与高斯光束类似。一般来讲,进入多模光纤的光会激发不同模式的叠加,因此具有很复杂的形状。 

波导中任何初始存在的场分布都可以分解成导波模式场分布的线性叠加,再加上一些方程。后者对应于非导波。根据波导的类型,非导波或者在包层中传播或者被反射。导波的传播很容易计算,将各波导模式与通过模式的传播常数计算出来的展开系数线性叠加就可以得到。

具有很小的横向空间尺寸和很小的折射率差(数值孔径小)的波导可能只能传导一个单横模(给定光频率和偏振的情况下),无高阶模式;因此称为单模波导。传播一定距离后,场分布接近于常数模场分布,与初始场分布无关,前提是非导模全部衰减掉(例如,衰减到包层中)。多模波导是可以支持很多导模的波导(有时上千个模式)。

有些波导模式的强度分布非常不对称(例如,在图1右侧的沟道波导中)。也有的情况下导模只具有一个偏振方向,或者不同偏振方向的模式具有不同的性质。

波导的很多性质,例如传播损耗,弯曲敏感性(对于光纤来说),传播常数和色散与导模类型有很大关系。

波导色散

波导限制光导致波矢沿着传播方向倾斜。这会影响单位长度的相位延迟和色散性质。例如,小模式面积的光子晶体光纤的色散在可见光区域可能是反常色散的,尽管石英材料具有正常色散。

纳米光学中的等离子体波导

在很多应用中,例如在光子晶体回路中,需要将光限制在小于波长的波导中。这时采用电介质波导会面临很多问题。例如,尽管纳米光纤具有远小于波长的尺寸,但是在纳米尺寸光纤中的光电场会延展到电介质结构中。因此,需要研究其他的利用其他物理导波机制的波导技术。一个很有前途的方向是纳米等离子体[11],是将纳米尺寸的金属结构嵌入电介质材料中。在这种情况下,电场分布比单独利用电介质材料更加局域化。但是,传输损耗通常也非常高。另外面临的问题是如何将光高效耦合进这种结构从而能够实现无源和有源光子器件,例如强弯曲,耦合器,滤波器,放大器和探测器。

应用

波导的应用非常广泛。例如:

  • 光纤可以实现光在很长距离上传播,例如,光纤通信中。
  • 用在硅光子学中的光子集成回路中,波导可以在不同光学元件中传播光。
  • 在未来的应用中,用在数据处理芯片上的硅波导和电路板上的聚合物波导可以用来在计算机器件之间进行快速的光学数据传输。
  • 有些波导用于在一定距离上保持光强大小,例如,在非线性装置中,如倍频器和拉曼激光器。波导激光器和放大器中采用的是有源(放大)波导。重要的例子为光纤激光器和光纤放大器。
  • 波导可以用于消除高阶横模,因此可看做模式清洁器。
  • 有些情况下,会利用导波的衰逝场与材料之间的相互作用,例如在有些波导传感器中。
  • 波导还可以分束或者合束,例如用在集成光学干涉仪中。

参考文献

[1] R. A. Soref and J. P. Lorenzo, “Single-crystal silicon: a new material for 1.3 and 1.6 μm integrated-optical components”, Electron. Lett. 21 (21), 953 (1985)
[2] R. V. Ramaswamy and R. Srivastava, “Ion-exchanged glass waveguides: a review”, J. Lightwave Technol. 6 (6), 984 (1988)
[3] B. Schüppert et al., “Optical channel waveguides in silicon diffused from GeSi allow”, Electron. Lett. 25 (22), 1500 (1989)
[4] N. Takato et al., “Silica-based single-mode waveguides on silicon and their application to guided-wave optical interferometers”, J. Lightwave Technol. 6, 1003 (1988)
[5] K. M. Davis et al., “Writing waveguides in glass with a femtosecond laser”, Opt. Lett. 21 (21), 1729 (1996)
[6] M.-K. Chin et al., “High-index-contrast waveguides and devices”, Appl. Opt. 44 (15), 3077 (2005)
[7] H. Hu et al., “Lithium niobate ridge waveguides fabricated by wet etching”, IEEE Photon. Technol. Lett. 19 (6), 417 (2007)
[8] J. I. Mackenzie, “Dielectric solid-state planar waveguide lasers: a review”, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 13 (3), 26 (2007)
[9] M. E. Solmaz et al., “Compact bends for achieving higher integration densities for LiNbO3 waveguides”, IEEE Photon. Technol. Lett. 21 (9), 557 (2009)
[10] J. Hu and C. R. Menyuk, “Understanding leaky modes: slab waveguide revisited”, Adv. Opt. Photon. 1, 58 (2009)
[11] D. K. Gramotnev and S. I. Bozhevolnyi, “Plasmonics beyond the diffraction limit”, Nature Photon. 4, 83 (2010)
[12] D. Geskus et al., “Giant optical gain in a rare-earth-ion-doped microstructure”, Adv. Mater. 24 (10), OP19 (2012)
[13] A. W. Snyder and J. D. Love, Optical Waveguide Theory, Chapman and Hall, London (1983)
[14] Website on "Optical waveguides: numerical modeling"

参阅:光学、纳米光纤、数值孔径、模式、模式耦合、高阶模式、有效模式面积、模式大小转化器、集成光学、波导激光器、倍频器、波导色散、硅光子学

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