侧壁粗糙度与几何结构对SOI脊形波导损耗的影响

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1、第6卷第1期现代应用物理Vo1．6。NO．12015年3月MODERNAPPLIEDPHYSICSMar．2015侧壁粗糙度与几何结构对SO1脊形波导损耗的影响刘军，刘金良，陈亮，张忠兵，刘林月(1．西北核技术研究所，西安710024；2．国防科技大学机电工程与自动化学院，长沙410073)摘要：基于条形波导传统数学模型和等效折射率方法，建立了SoI(silicon—on—insulator)脊形波导散射损耗的数学模型，重点讨论了侧壁粗糙度与几何结构对波导散射损耗系数的影响。研究表明：侧壁粗糙度是引起散射损耗的主要因素；

2、波导几何结构对散射损耗的影响主要由波导宽度决定；对于给定刻蚀深度，损耗随波导宽度增大而减小；对于给定波导宽度，损耗随刻蚀深度增大而增大。关键词：集成光学；脊形波导；散射损耗；粗糙度中图分类号：TN252文献标志码：A文章编号：2095—6223(2015)01—037—05EffectsofSidewall—RoughnessandGeometryonScatteringLossofSOIRibWaveguideLIUJun一，LIUJin—liang，CHENLiang，ZHANGZhong—bing，LIULin—y

3、ue(1．NorthwestInstituteofNuclearTechnology，Xi’an710024，China；2．CollegeofMechatronicsEngineeringandAutomation，NationalUniversityofDefenseTechnology，Changsha410073，China)Abstract：Anumericalmodelwasdevelopedbasedonconventionalexpressionsofstripwaveguideandtheequival

4、entindexmethodtoinvestigatetheeffectsofsidewallroughnessandgeometryofSOIribwaveguidesonthescatteringloss．Thecalculationresultshowsthesidewallroughnessisthechieffactorforcausingscatteringloss．andthe1OSScausedbyge—ometryisdeterminedbythewidthofthewaveguide．Foragive

5、netchingdepth，thelosswoulddecreasewiththeincreaseofwidth，andforagivenwidthofwaveguide，itwouldrisewiththeincreaseofetchingdepth．Keywords：integratedoptics；ribwaveguide；scatteringlOSS；roughnessSOI(silicon—on—insulator)以其优越的光电性能入卜。然而，几乎所有波导器件都要面临损耗问及与成熟的半导体工艺良好的兼容性，已

6、经逐渐成题，如何控制和降低波导传输损耗，已经成为实现集为继单晶硅之后集成电路和集成光路的主要基底材成光路商业化需要解决的主要问题之一。料。随着SO1脊形光波导器件代表性研究成果的波导损耗可分为线性损耗和非线性损耗。非线涌现，有关光集成器件的研究也不断扩展和深性损耗主要是双光子吸收引起的自由载流子吸收损收稿日期：2014一O7—14；修回日期：2014—11一O3作者简介：刘军(1986一)，男，甘肃天水人，研究实习员，博士研究生，主要从事宽禁带半导体辐射探测技术和纳米光子学研究。E-mail：liujun09@nint．

7、ac．ca现代应用物理第6卷耗。有关s0I脊形波导中非线性损耗的数值和实验研究已经比较全面_5]，而对于soI脊形波导线性损耗的报道很少。线性损耗多指波导的散射损耗，主要由波导介质的不均匀性、刻蚀工艺带来的侧壁粗糙度以及波导结构等因素引起。对于高质量SOl材料，由于其纯度非常高，因此波导中材料本身不均匀性(包括杂质)引起的损耗以及衬底的泄露损耗都(a)SectionalviewoftheSO1ribwaveguide可以忽略。为了定性分析散射损耗对SOI脊形波导传输损耗的影响，进而控制和降低波导的线性损耗，本文在早期平板

8、波导和条形波导散射损耗研究的基础上]，建立了sOI脊形波导散射损耗的数学模型，针对波导的侧壁粗糙度和几何结构这两个主要影响因素，利用数值计算对具有不同侧壁粗糙度和不同截面的单模脊形波导损耗进行了模拟，所得结果与文献[7]报道的实验结果吻合较好，并提出基于粗糙度和截面尺寸两个影响因素来降低波导损耗(b)Sketchof