高 峰，秦 莉，陳泳屹*，賈 鵬，陳 超，梁 磊，陳 紅，張 星，寧永強(qiáng)

(1.中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 發(fā)光學(xué)及應(yīng)用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長春 130033；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

彎曲波導(dǎo)研究進(jìn)展及其應(yīng)用

高 峰1,2，秦 莉1，陳泳屹1*，賈 鵬1，陳 超1，梁 磊1，陳 紅1,2，張 星1，寧永強(qiáng)1

(1.中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 發(fā)光學(xué)及應(yīng)用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長春 130033；
2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

本文主要分析了彎曲波導(dǎo)損耗機(jī)理，包括傳輸損耗、輻射損耗、模式轉(zhuǎn)換損耗。重點(diǎn)綜述了設(shè)計(jì)低損耗彎曲波導(dǎo)的方法，包括波導(dǎo)材料、彎曲波導(dǎo)的曲線形狀、波導(dǎo)種類、脊型波導(dǎo)的寬度、脊高、彎曲半徑、模場分布、彎曲波導(dǎo)曲線形狀和其他新型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)等。簡要概括了近年來設(shè)計(jì)和制備低損耗彎曲波導(dǎo)的代表性工作。介紹了彎曲波導(dǎo)在集成光學(xué)中的應(yīng)用。通過對(duì)彎曲波導(dǎo)的損耗及耦合機(jī)制理論的不斷完善，實(shí)現(xiàn)光在較小彎曲半徑的低損耗傳輸，從而提高集成光學(xué)的集成度是彎曲波導(dǎo)今后的發(fā)展趨勢(shì)。

彎曲波導(dǎo)；集成光學(xué)；SOI；低損耗波導(dǎo)

1 引 言

集成光學(xué)(Integrated Optical)是研究光學(xué)元件集成化的一門科學(xué)，實(shí)現(xiàn)同一芯片上集成不同功能的光學(xué)元件(System On a Chip SOC)[1]。集成光學(xué)分為光-光集成(Photonic Integrated Circuit,PIC)和光-電集成(Opto-Electronic Integrated Circuit,OEIC)[2]。相比傳統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)體積大、穩(wěn)定性不好、光束準(zhǔn)直難等缺點(diǎn)，集成光學(xué)在同一芯片集成不同功能的器件，具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定性強(qiáng)、壽命長等優(yōu)勢(shì)[3]。集成光學(xué)在100G網(wǎng)絡(luò)、光互連、波分復(fù)用系統(tǒng)等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用前景[4-6]。

在集成光學(xué)中，波導(dǎo)連接不同的光學(xué)組件，實(shí)現(xiàn)光傳遞。依據(jù)波導(dǎo)的幾何形狀，波導(dǎo)可分為彎曲波導(dǎo)和直波導(dǎo)。彎曲波導(dǎo)可以實(shí)現(xiàn)連接非共線光學(xué)組件，改變光束的傳播方向[7]，特別是小尺寸、低損耗的彎曲波導(dǎo)，可提高集成光學(xué)的集成度并降低器件尺寸和成本[8]。

目前，在集成光學(xué)中制備器件所用材料有不同的體系，主要有SOI(silicon-on-insulator)[9]、InP[10]、SiO2[11]、聚合物[12]等。這些材料各具特色，制備的器件各具優(yōu)勢(shì)?；贗nP材料的集成光學(xué)器件，具有折射率差值大，器件尺寸小、易實(shí)現(xiàn)有源器件和無源器件的集成的優(yōu)勢(shì)，但是由于其波導(dǎo)側(cè)壁損耗比較大并且晶圓成本較高不利于大規(guī)模制備；基于SiO2的集成光學(xué)器件，具有傳輸損耗小，和光纖模式匹配好的優(yōu)點(diǎn)，但是其與空氣折射率差較小不利于制備彎曲波導(dǎo)，并且不能用于制備有源器件，限制了其在光學(xué)集成中的發(fā)展。基于聚合物的集成光學(xué)器件，具有低損耗、雙折射率小、色散小、高熱光系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，但是其易老化不利于集成光學(xué)器件的穩(wěn)定性。

隨著SOI材料的傳輸損耗進(jìn)一步降低(0.1 dB/m)[13-16]，SOI材料成為制備彎曲波導(dǎo)熱點(diǎn)材料[17]。相比其他材料，SOI材料的優(yōu)勢(shì)[18-21]：(1)芯層材料和蓋層材料折射率相差大(High Index Constrast,HIC)(nSi=3.45、nSiO2=1.46，Δn≈2)，光限制能力強(qiáng)，可減少彎曲部分輻射損耗，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊的光波導(dǎo)器件[22-23]；(2)具有優(yōu)良的電學(xué)性質(zhì)和光學(xué)性質(zhì)；(3)與集成電路CMOS工藝兼容，易實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)[24-25]；(4)硅產(chǎn)量豐富、價(jià)格便宜?；谏鲜鰞?yōu)勢(shì)，SOI材料為光學(xué)集成提供了良好的平臺(tái)[26-27]。因此，本文主要圍繞基于SOI材料的低損耗彎曲波導(dǎo)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行綜述。

彎曲波導(dǎo)是提高集成光學(xué)集成度的重要組件。當(dāng)傳輸損耗低于一定閾值時(shí)，其他形式的損耗將起主導(dǎo)作用。因此，實(shí)現(xiàn)小尺寸、低損耗的彎曲波導(dǎo)，需要分析光束在彎曲波導(dǎo)部分的模式傳輸特性和損耗特性，降低其他形式損耗。

本文主要分析了彎曲波導(dǎo)的損耗機(jī)理以及重點(diǎn)綜述了低損耗彎曲波導(dǎo)部分損耗的設(shè)計(jì)方案和發(fā)展現(xiàn)狀。簡要概括了近年來設(shè)計(jì)制備低損耗彎曲波導(dǎo)的代表性工作，介紹了彎曲波導(dǎo)在集成光學(xué)中重要作用及其應(yīng)用。對(duì)彎曲波導(dǎo)在集成光學(xué)中的發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

2 彎曲波導(dǎo)損耗機(jī)理

彎曲波導(dǎo)部分損耗主要可歸納為3種形式[28-29]，即傳輸損耗(Propagation Loss)、輻射損耗(Radiation Loss)、模式轉(zhuǎn)換損耗(Loss of Mode Conversion)。

2.1 傳輸損耗

波導(dǎo)是將光限制在波導(dǎo)層中傳播的光學(xué)組件。光在理想波導(dǎo)材料的中傳播，不會(huì)產(chǎn)生能量損失。但由于材料本身特性和生長缺陷以及工藝等原因，光在傳輸過程中將會(huì)出現(xiàn)一定損耗，即傳輸損耗。傳輸損耗主要有兩個(gè)方面因素：吸收損耗和散射損耗。

吸收損耗主要是由三部分組成：由材料缺陷引起的損耗，帶邊吸收損耗和自由載流子損耗。由材料缺陷引起的損耗主要是由于材料的生長過程中，產(chǎn)生一定程度缺陷(點(diǎn)缺陷、面缺陷等)，將會(huì)導(dǎo)致光被吸收從而引起損耗。帶邊吸收損耗是由于半導(dǎo)體材料能帶并非完全簡并狀態(tài)而產(chǎn)生的吸收損耗。自由載流子吸收損耗是基于雙光子吸收現(xiàn)象，產(chǎn)生光生載流子，從而引起自由載流子吸收作用產(chǎn)生的損耗。

自由載流子吸收是吸收損耗主要原因，特別是對(duì)電注入方式控制光強(qiáng)的電光調(diào)制器件。器件在穩(wěn)定工作下，光生載流子壽命變大，載流子濃度越大，自由載流子吸收損耗越大，調(diào)制深度越大，相應(yīng)速度較慢。因此，減少自由載流子壽命是減少自由載流子吸收損耗的有效方式[30-31]。

目前，通過減少自由載流子壽命方式降低波導(dǎo)損耗的主要兩種方式：(1)減少波導(dǎo)尺寸。2005年，Dimitropoulos.D等人[32]分析載流子壽命與波導(dǎo)尺寸的關(guān)系，即減少波導(dǎo)寬度，會(huì)減少載流子壽命，降低吸收損耗。但當(dāng)波導(dǎo)寬度減少時(shí)，引起散射損耗增大和耦合效率降低，增加其他損耗。因此，此方式不能單一有效減少波導(dǎo)損耗。(2)在材料能帶結(jié)構(gòu)中引入復(fù)合中心能級(jí)。2006年，Liu, Y等人[33]將He離子注入SOI脊形波導(dǎo)的脊形區(qū)域，通過引入雜質(zhì)離子復(fù)合中心，有效減少載流子壽命，降低吸收損耗。Hewitt.P.D.等人[34]分析含有金材料的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，由于金在半導(dǎo)體材料中形成深能級(jí)，有效縮短載流子的壽命，降低波導(dǎo)的非線性損耗。

散射損耗(Scattering Loss)也是引起傳輸損耗重要原因。由于波導(dǎo)表面不平整或晶體材料中非點(diǎn)陣粒子作用，導(dǎo)致光在波導(dǎo)中傳播時(shí)偏離原傳播方向，從而引起光的能量損耗，即散射損耗。通常情況下，散射損耗主要分為兩種：體散射損耗和表面散射損耗。體散射損耗，主要與材料缺陷(雜質(zhì)原子、原子空位等點(diǎn)缺陷)相關(guān)。表面散射損耗主要是由于波導(dǎo)表面的不平整引起的光的散射從而引發(fā)損耗。體散射損耗主要與材料制備過程相關(guān)，由于材料缺陷的產(chǎn)生具有隨機(jī)性，通過優(yōu)化生長手段可制備高質(zhì)量的外延波導(dǎo)芯片，體散射損耗在散射損耗中作用可忽略不計(jì)。因此，散射損耗主要是由于表面散射損耗引起。

表面散射損耗主要與波導(dǎo)幾何形狀和波導(dǎo)的表面粗糙度相關(guān)。Grillot.F.等人[35]基于文獻(xiàn)[36]中平面波導(dǎo)散射損耗理論：波導(dǎo)寬度越大，波導(dǎo)的散射損耗越小。波導(dǎo)的表面粗糙度與制備工藝相關(guān)，如光刻版精細(xì)度、波導(dǎo)表面殘留物、波導(dǎo)端面的光滑度、圖形轉(zhuǎn)移精確度、刻蝕精度和側(cè)壁光滑程度等。目前，改善硅基波導(dǎo)表面粗糙度的有3種方法：(1)熱氧化方法[37]。熱氧化處理后的硅基波導(dǎo)的散射損耗明顯降低(<0.1 dB/cm)。(2)氫氣氛圍下退火處理的方法。J.W. Lee等人[38]在氫氛圍下對(duì)硅基波導(dǎo)熱退火，其散射損耗降低到0.8 dB/cm；(3)工藝優(yōu)化。Liu.H.C.等人[39]優(yōu)化刻蝕工藝，將波導(dǎo)表面粗糙度降低到9.11 nm以下；F.Gao等人[40]采用熱氧化和氫氟酸處理方式，將波導(dǎo)表面粗糙度降低為3 nm；Chabloz M.等人[41]采用多步制備寬深比大的波導(dǎo)，其表面粗糙度降低為為8 nm。通過研究單一波導(dǎo)結(jié)構(gòu)變化，散射損耗與吸收損耗變化趨勢(shì)相反。因此，為了獲得低損耗單模波導(dǎo)，在滿足單模條件前提下，需綜合考慮兩種損耗影響。

2.2 輻射損耗

光波導(dǎo)的輻射損耗理論體系已比較完善[42-47]。通常情況下，輻射損耗(Radiation loss)的原因有3種：(1)光在波導(dǎo)傳輸過程中，由于光限制變?nèi)酰蛑車w層輻射能量而引起能量損耗，即模式泄露損耗或平板泄露損耗(Slab Leakage Loss)[48];(2)當(dāng)波導(dǎo)端面耦合時(shí)，引起的能量損耗；(3)由于波導(dǎo)偏折或彎曲，光不能完全被限制在波導(dǎo)中而引起的能量損耗[49]。

光在波導(dǎo)中的傳輸模式可分為導(dǎo)模和輻射模。導(dǎo)模是指大部分光限制在波導(dǎo)的芯層中，形成導(dǎo)波；輻射模是指光不能被完全限制在芯層中，不斷向包層輻射，形成輻射波。波導(dǎo)的芯層有效折射率n，當(dāng)有效折射率n大于波導(dǎo)兩側(cè)的包層折射率時(shí)，導(dǎo)模能夠在波導(dǎo)中傳輸；當(dāng)n小于等于包層折射率的時(shí)候，導(dǎo)模不能夠被包層完全限制住，光能量分散到包層中，輻射模將會(huì)產(chǎn)生，此時(shí)稱之為導(dǎo)模截止。當(dāng)光線入射角在芯層的上界面發(fā)射全發(fā)射而下界面沒有發(fā)生全反射，這時(shí)光在傳輸過程中不斷向下包層輻射，稱之為平板泄露損耗。平板泄露損耗是由于波導(dǎo)芯層的光限制能力變?nèi)?，?dǎo)致光向包層泄露引起的損耗。平板泄露損耗主要存在于脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。有效減少平板泄露損耗的方式是增大包層與芯層的折射率差值，即采用高折射率對(duì)比材料(如SOI)。在SOI材料中，當(dāng)緩沖層的二氧化硅厚度大于500 nm時(shí)，可有效地阻止光向襯底中泄露。

波導(dǎo)端面耦合時(shí)，由于反射等原因，會(huì)引起波導(dǎo)界面的模式輻射，通過鍍抗反射涂層可有效降低輻射損耗。當(dāng)波導(dǎo)出現(xiàn)彎曲或偏折，光不能完全被限制在波導(dǎo)中，導(dǎo)?？赡軙?huì)轉(zhuǎn)化成輻射模從而引起輻射損耗[47]。

由于在波導(dǎo)彎曲處偏折較大，光不能完全限制在波導(dǎo)中，將會(huì)引起很大程度的輻射損耗。因此，彎曲損耗(Bending Loss)主要是由于輻射損耗引起[43]。降低彎曲波導(dǎo)輻射損耗對(duì)減少彎曲波導(dǎo)損耗具有重要研究意義。

2.3 模式轉(zhuǎn)換損耗

模式轉(zhuǎn)換損耗(Loss of Mode Conversion)是指由于傳播常數(shù)的改變，即傳播常數(shù)的虛部的相位常數(shù)(phase constant)改變引起的損耗。在多模波導(dǎo)中，不同的模式具有不同傳播常數(shù)，由于不同的傳播常數(shù)的存在，導(dǎo)致光波導(dǎo)的光場限制能力變?nèi)?，?dǎo)致輻射損耗增加。由于高階模式的倏逝場衰減速度較慢，也造成其結(jié)構(gòu)的體積較大。因此，在集成光學(xué)中多采用單模波導(dǎo)。模式轉(zhuǎn)換損耗主要來自于模場之間的不匹配引起的損耗。在彎曲波導(dǎo)和直波導(dǎo)連接部分，由于模場之間的不匹配將會(huì)引起一定程度的損耗。在集成光學(xué)中，采用不同芯層厚度的材料制備器件，它們之間也存在嚴(yán)重的模場不匹配問題，為了減少模式轉(zhuǎn)化之間的損耗，通常采用錐形光斑轉(zhuǎn)換器[50](spot-size-converters)，其模式轉(zhuǎn)換損耗可忽略不計(jì)[51]。彎曲波導(dǎo)部分將會(huì)出現(xiàn)基模和高階模之間耦合現(xiàn)象。由于模式之間耦合，會(huì)引起一定程度的損耗。

3 彎曲波導(dǎo)設(shè)計(jì)

1969年，Marcatili.E.A.J.[52]第一次理論提出彎曲波導(dǎo)相關(guān)理論，隨后關(guān)于彎曲波導(dǎo)損耗計(jì)算方法不斷出現(xiàn)。目前，采用較為廣泛的計(jì)算方法是保角變換法。1975年，Heiblum.M.和Harris.J.H[53]提出的保角變換的方法，即將彎曲波導(dǎo)轉(zhuǎn)化成直波導(dǎo)后分析其傳輸特性。由于傳輸矩陣[54]能夠分析光束的透射率和反射率情況，1987年，Thyagarajan.K.等人[55]將其引入，并與保角變換方法結(jié)合，分析彎曲波導(dǎo)的透射率。目前，計(jì)算彎曲波導(dǎo)損耗的主要算法是有限差分法(Finite-difference method,FDM)[56]、有限元法(Finite-Element Method FEM)[57]、模式匹配法(Mode-matching method,MOL)[58]、光束傳播法(Beam Propagation Method,BPM)[59-61]。隨著仿真軟件和計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展，對(duì)彎曲波導(dǎo)三維仿真更接近彎曲波導(dǎo)實(shí)際損耗情況。戴道鋅等人[60]采用全矢量有限差分法(full-vectorial finite-difference method,FV-FDM)方法分析彎曲波導(dǎo)損耗和波導(dǎo)寬度關(guān)系，對(duì)彎曲波導(dǎo)部分損耗估算誤差小，為優(yōu)化彎曲波導(dǎo)設(shè)計(jì)方案提供了有力的支持。

本小節(jié)將對(duì)降低彎曲波導(dǎo)損耗的的設(shè)計(jì)方案綜述，從波導(dǎo)材料，彎曲形狀，波導(dǎo)種類，脊形波導(dǎo)的寬度、脊高、彎曲半徑，模場分布，彎曲波導(dǎo)曲線形狀和其他新型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)等七個(gè)方面分析降低彎曲波導(dǎo)損耗的方法。

3.1 波導(dǎo)材料

為提高彎曲波導(dǎo)部分的包層與芯層的折射率對(duì)比度，降低彎曲波導(dǎo)的輻射損耗，通常采用高折射率對(duì)比材料(High index contrast,HIC)，如SOI[62]、氮化硅/二氧化硅[63]、有機(jī)物/二氧化硅[64]等。與低折射率對(duì)比材料(如二氧化硅/空氣)相比，HIC材料優(yōu)勢(shì)是制備的波導(dǎo)具有較薄的波導(dǎo)芯層厚度和較小的彎曲半徑等[62]，劣勢(shì)是傳輸損耗大(0.1 dB/cm[65])，在光功率較高時(shí)，容易出現(xiàn)非線性效應(yīng)。但通過采用高質(zhì)量的波導(dǎo)材料和優(yōu)化波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可減少非線性效應(yīng)。

3.2 彎曲形狀選擇

彎曲波導(dǎo)的形狀有直角Z形和彎曲S形(如圖1)。直角Z字形結(jié)構(gòu)是在90°直角波導(dǎo)外側(cè)刻蝕空氣槽，既可以改變光的傳輸方向又可以增加折射率對(duì)比減少損耗。此種波導(dǎo)稱為全內(nèi)反射鏡面(Total Internal Reflection Mirrors,TIR)[66]。此方案可有效減少彎曲波導(dǎo)損耗，但劣勢(shì)是需增加工藝步驟，限制其他角度在集成光學(xué)中應(yīng)用。因此，彎曲S形的彎曲波導(dǎo)在集成光學(xué)中具有更重要的研究價(jià)值。

圖1 (a)TIR形彎曲波導(dǎo)的單模脊形波導(dǎo)，彎曲部分損耗0.3 dB/90°。也可以通過低損耗的錐形轉(zhuǎn)換器與矩形波導(dǎo)相連接。(b)帶有溝槽部分的90°彎曲脊形波導(dǎo)。(c)優(yōu)化后的多模彎曲波導(dǎo)，從而減少彎曲波導(dǎo)尺寸和損耗[67]Fig.1 Micron-scale silicon photonics platform. (a)single mode rib waveguides can be tightly bent by TIR mirrors with 0.3 dB/90° loss; they can be also be turned into strip waveguides by almost lossless converters; (b)a 90° ridge waveguide bend with a groove structure; (c)suitably designed bends of multimode strip waveguides to dramatically reduce bend size and losses[67]

3.3 波導(dǎo)種類

相比多模波導(dǎo)，單模波導(dǎo)具有更小的泄漏損耗和彎曲損耗[68-69]。通常情況下，依據(jù)矩形波導(dǎo)的單模條件，SOI材料波導(dǎo)芯層厚度需小于1 μm[70]。但由于芯層尺寸過小，與光纖耦合過程中，由于尺寸不匹配，引起過大的耦合損耗，并且其傳輸損耗較大。當(dāng)芯層厚度220 nm時(shí)，其傳輸損耗約為2 dB/cm。但當(dāng)芯層厚度為3 μm時(shí)，其傳輸損耗降低為0.1 dB/cm。更重要的是，當(dāng)芯層厚度較大時(shí)，其偏振依賴性較小[71]，有利于制備寬響應(yīng)的低損耗彎曲波導(dǎo)。因此，為了減少彎曲波導(dǎo)部分損耗，可適當(dāng)增加芯層厚度[72]。文獻(xiàn)[73]表明，當(dāng)SOI材料芯層厚度為10 μm時(shí)，對(duì)波導(dǎo)寬度和脊高設(shè)計(jì)仍滿足單模傳輸條件。但當(dāng)SOI芯層較厚時(shí)，為了滿足單模條件，會(huì)增加波導(dǎo)寬度和減少脊形波導(dǎo)脊高，會(huì)增加彎曲半徑，不利于提高集成度。并且在彎曲部分采用淺刻蝕脊形波導(dǎo)，光場限制較弱，產(chǎn)生較大的彎曲損耗[74]。因此，需要根據(jù)實(shí)際情況選擇合理芯層厚度的SOI材料，為了避免在彎曲部分耦合產(chǎn)生高階模式的振蕩和減少彎曲損耗，在滿足單模波導(dǎo)的條件下，盡量增加脊形波導(dǎo)的寬度和脊高，增加彎曲波導(dǎo)的光限制能力。

目前，為了減少彎曲部分損耗，采用在脊形波導(dǎo)外側(cè)刻蝕一定寬度的空氣槽。其目的：(1)增加彎曲波導(dǎo)部分的水平的折射率差，增強(qiáng)對(duì)光場限制，減少模式泄露損耗；(2)防止彎曲波導(dǎo)模場中心位置的側(cè)向偏移。M. Harjanne等人[70]通過實(shí)驗(yàn)和理論驗(yàn)證了脊形外側(cè)空氣槽可以有效減少彎曲波導(dǎo)的輻射損耗和模式失配損耗(如圖2、圖3)。為了實(shí)現(xiàn)低損耗光學(xué)回路，文獻(xiàn)[75-76]報(bào)道在不同波導(dǎo)部分采用不同芯層厚度，即在直波導(dǎo)部分采用較厚芯層厚度，可保證低損耗單模波導(dǎo)；在彎曲波導(dǎo)部分采用薄芯層厚度，保證低損耗彎曲波導(dǎo)；它們之間通過高效率三維錐形光斑轉(zhuǎn)換器連接，實(shí)現(xiàn)了低損耗彎曲波導(dǎo)。

圖2 90°脊形彎曲波導(dǎo)損耗(輻射損耗和模式失配損耗)[70]Fig.2 Total loss(Radiation loss and Mode mismatch loss) in a 90° ridge waveguide bend[70]

圖3 帶有溝槽的90°脊形彎曲波導(dǎo)損耗(輻射損耗和模式失配損耗)[70]Fig.3 Total loss(Radiation loss and Mode mismatch loss) in a 90° ridge waveguide bend with a groove structure[70]

3.4 脊形波導(dǎo)的寬度、脊高、彎曲半徑

文獻(xiàn)[56,70]通過實(shí)驗(yàn)和仿真分析了脊形彎曲波導(dǎo)的寬度、脊高、彎曲半徑對(duì)彎曲損耗影響。結(jié)果表明(如圖4)：(1)波導(dǎo)寬度越大，彎曲損耗越??；(2)脊形波導(dǎo)的脊高越大，彎曲損耗越少；(3)在彎曲半徑>100 nm時(shí)，脊形波導(dǎo)的彎曲半徑越大，彎曲損耗越少。但彎曲半徑<100 nm時(shí)，彎曲半徑增加，彎曲部分損耗有先減少后有增加趨勢(shì)，當(dāng)彎曲半徑大于一定數(shù)值后，彎曲損耗將持續(xù)減少[49]。

圖4 SOI脊形彎曲波導(dǎo)的彎曲損耗在不同半徑和脊寬的變化情況[56]Fig.4 Bending loss as the bending radius varies for SOI rib waveguides with different rib widths[56]

當(dāng)波導(dǎo)寬度增加和脊高增加時(shí)，彎曲波導(dǎo)部分有效折射率增加，在波導(dǎo)中導(dǎo)模相速度不易接近光在限制層的相速度，可在一定程度上減少彎曲部分損耗。但如果單一增加波導(dǎo)寬度和脊高，出現(xiàn)高階模式，將不滿足脊形波導(dǎo)單模條件[58]。當(dāng)彎曲半徑較小時(shí)，單一增加波導(dǎo)寬度也會(huì)引起波導(dǎo)之間的耦合現(xiàn)象。因此，通過單一增加波導(dǎo)寬度方式降低彎曲波導(dǎo)部分損耗，其應(yīng)用前景受到了局限[77]。為了制備損耗小的單模彎曲波導(dǎo)，可優(yōu)化波導(dǎo)寬度和脊高，但不能有效減少彎曲波導(dǎo)部分損耗。

脊形波導(dǎo)的彎曲波導(dǎo)部分損耗主要是由于輻射損耗和散射損耗構(gòu)成。在輻射損耗中，由于偏振引起的損耗隨著彎曲半徑的減少而增大(如圖4)，而向平板波導(dǎo)泄露損耗的變化趨勢(shì)與其相反。在彎曲波導(dǎo)的彎曲半徑<100 μm時(shí)，兩種損耗對(duì)彎曲波導(dǎo)的損耗貢獻(xiàn)相當(dāng)，因此，導(dǎo)致隨著彎曲半徑的減少，彎曲波導(dǎo)部分損耗出現(xiàn)先減少后增加的現(xiàn)象(如圖5)[49]。當(dāng)彎曲波導(dǎo)的彎曲半徑大于一定范圍后，由于偏折引起的損耗是主要彎曲波導(dǎo)部分損耗主要原因，導(dǎo)致彎曲波導(dǎo)部分損耗隨著彎曲半徑增加而降低。

圖5 當(dāng)彎曲半徑小于100 nm時(shí)，彎曲部分損耗隨彎曲半徑變化[49]Fig.5 Evolution of the loss per bend versus the bend radius at R<100 nm[49]

目前，為了實(shí)現(xiàn)低損耗脊形彎曲波導(dǎo)，彎曲半徑通常是百微米級(jí)[78]，優(yōu)勢(shì)是具有較小的雙折射現(xiàn)象、低的界面損耗、工藝容忍度較大、與標(biāo)準(zhǔn)光纖耦合損耗較小、制造成本低。當(dāng)彎曲半徑小于100 μm時(shí)，通常選用高折射率對(duì)比材料，可有效減少彎曲波導(dǎo)部分損耗[79]。但是為了提高集成度，需要進(jìn)一步降低彎曲波導(dǎo)半徑。在降低彎曲波導(dǎo)半徑到亞微米尺寸時(shí)，具有強(qiáng)烈的偏振的敏感度，對(duì)于沿著不同軸向的光的偏振具有不同響應(yīng)[80]，并且有背景反射，串?dāng)_現(xiàn)象；需要昂貴的制造設(shè)備[81]和較小的工藝誤差[82]。因此，低損耗、寬響應(yīng)、小彎曲半徑的彎曲波導(dǎo)是研究重點(diǎn)。

3.5 模場分布

彎曲波導(dǎo)與直波導(dǎo)連接實(shí)現(xiàn)光束的偏折。由于直波導(dǎo)和彎曲波導(dǎo)連接處的曲率半徑不同，直波導(dǎo)的模場中心位置與彎曲波導(dǎo)的模場中心位置不重合，模場中心位置發(fā)生一定程度的向外偏移。因此，如果在直波導(dǎo)和彎曲波導(dǎo)直接對(duì)接相連，會(huì)引起模式轉(zhuǎn)換損耗。Neumann[83]等人分析了中心模場不匹配現(xiàn)象，提出在直波導(dǎo)和彎曲波導(dǎo)在連接處設(shè)計(jì)具有一定偏移的結(jié)構(gòu)(off-set)(如圖6)，目的是減少由于直波導(dǎo)和彎曲波導(dǎo)模場中心位置模式不匹配引起傳輸損耗[84]。

圖6 (a)在直波導(dǎo)和彎曲波導(dǎo)部分的基模的振幅分布、波前和坡印廷矢量[83]；(b)帶有偏移部分的彎曲波導(dǎo)和直波導(dǎo)[84]Fig.6 (a)Amplitude distribution, wavefronts and time averaged Poynting′s vector of the fundamental modes on a straight and a bent dielectric waveguide section[83]; (b)a curved and a straight waveguide section with offset[84]

Pennings.E.C.M.[85]在其博士畢業(yè)論文中采用有效折射率方法分析了模式失配的原因，得到模式失配與波導(dǎo)寬度相關(guān)并優(yōu)化了off-set結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)寬度。Off-set結(jié)構(gòu)可以有效減少因?yàn)槟Ｊ讲黄ヅ湟鸬膿p耗[86]，但是對(duì)光刻和刻蝕精度具有較高的要求。2012年，Tong Chen[87]提出一種采用曲率半徑漸變的彎曲波導(dǎo)。此方案由于彎曲波導(dǎo)與直波導(dǎo)相連接部分曲率半徑相同，避免了由于模式失配問題引起的損耗，解決了off-set結(jié)構(gòu)對(duì)于工藝的要求較高的缺點(diǎn)。并且可通過仿真軟件對(duì)曲線形狀不斷優(yōu)化，從而進(jìn)一步減少彎曲波導(dǎo)部分損耗。

3.6 彎曲波導(dǎo)曲線形狀

傳統(tǒng)彎曲波導(dǎo)曲線形狀通常采用通常圓形[88]和正弦曲線[89]。其曲率是常數(shù)(1/R)而直波導(dǎo)部分的曲率是零。當(dāng)直波導(dǎo)和彎曲波導(dǎo)相互連接時(shí)，由于曲率半徑不同，導(dǎo)致中心模場分布不匹配，引起模式轉(zhuǎn)換損耗。Andrea Melloni等人[90]提出一種采用不同彎曲半徑和彎曲角度組成彎曲波導(dǎo)，可以減少彎曲波導(dǎo)損耗，此方法稱之為matched bend approach。文獻(xiàn)[91]在理論上分析了采用此方法設(shè)計(jì)曲線的損耗。文獻(xiàn)[92]采用此方法，設(shè)計(jì)此曲線形狀的彎曲波導(dǎo)并應(yīng)用在激光器上。Hansuek Lee 等人[93]在設(shè)計(jì)制備低損耗光學(xué)延時(shí)線時(shí)，在彎曲波導(dǎo)部分采用阿基米德螺線，通過彎曲波導(dǎo)形狀的優(yōu)化，在一定程度上減少彎曲波導(dǎo)損耗。Kerry J. Vahala等人[94]在制備耳語回廊彎曲波導(dǎo)(whispering-gallery spiral waveguides)時(shí)，同樣采用阿基米德螺線降低彎曲波導(dǎo)損耗。芬蘭VTT實(shí)驗(yàn)室[67]采用歐拉螺線曲線設(shè)計(jì)曲率漸變的彎曲波導(dǎo)，得到了目前最小損耗的彎曲波導(dǎo)。通過采用改變曲線形狀，設(shè)計(jì)曲率漸變的彎曲波導(dǎo)曲線形狀，在一定程度上可以減少彎曲波導(dǎo)損耗[95-96]。采用緩和曲線，既可以減少在上文3.5節(jié)中提到的中心模場不匹配引起的損耗，減少制備工藝的復(fù)雜程度，又可以實(shí)現(xiàn)相同轉(zhuǎn)彎條件下，彎曲半徑由大變小，并在一定程度上減少彎曲波導(dǎo)部分損耗。盡管改變曲線形狀可以在一定程度上減少彎曲波導(dǎo)部分損耗，但是并不會(huì)有很大程度的減少，需要與上述影響彎曲波導(dǎo)的因素相互結(jié)合從而實(shí)現(xiàn)低損耗、小彎曲半徑的彎曲波導(dǎo)。

3.7 其他新型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)

特殊設(shè)計(jì)的多模波導(dǎo)，既可以減少基模在彎曲波導(dǎo)中損耗又可以實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)基模在彎曲波導(dǎo)高效傳輸。在彎曲部分，淺刻蝕脊型波導(dǎo)雖然會(huì)減少傳輸損耗但是會(huì)增加彎曲波導(dǎo)損耗，這部分損耗主要是由于模式泄露到平板產(chǎn)生。在滿足單模條件時(shí)，增加脊高將會(huì)減少彎曲波導(dǎo)損耗。當(dāng)不滿足單模條件的時(shí)候，TE模式的基模損耗減少程度小于第一階模式損耗。因此，通過多模波導(dǎo)的合理設(shè)計(jì)，可以作為一個(gè)模式過濾器(mode filter)，僅保留基模而高階模被損耗而忽略[74]。在集成光學(xué)中存在彎曲波導(dǎo)的優(yōu)勢(shì)是，在恰好滿足單模波導(dǎo)條件時(shí)，如果出現(xiàn)制備工藝誤差將會(huì)出現(xiàn)多模波導(dǎo)，光學(xué)回路中大彎曲波導(dǎo)可起到濾波器作用，仍然會(huì)保持單模特性。文獻(xiàn)[97]報(bào)道，設(shè)計(jì)特殊多模彎曲波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其高階模式損耗比基模損耗大，保證基模高效傳遞。采用此設(shè)計(jì)方案的優(yōu)勢(shì)是針對(duì)不同模式損耗不同(如圖7，圖8)，即基模在彎曲部分損耗較小，高階模的損耗較大，實(shí)現(xiàn)在小彎曲半徑下，基模的高效傳輸。Michael Krause等人[98]通過實(shí)驗(yàn)和理論得到TM比TE在彎曲部分損耗小結(jié)論，可在彎曲波導(dǎo)中利用TM模式高效傳輸，進(jìn)一步減少彎曲半徑，增加集成度。此設(shè)計(jì)方案既可以保證在較小彎曲半徑下基模的高效傳輸，又可以實(shí)現(xiàn)在多模波導(dǎo)中僅保留基模，作為濾波結(jié)構(gòu)應(yīng)用于集成光學(xué)中。

圖7 在多模彎曲波導(dǎo)中，不同模式的彎曲損耗隨半徑變化情況[97]Fig.7 Normalized effective indices of the eigen-modes supported in the bent multimode waveguide as the bending radius R decreases[97]

圖8 歐拉螺線L形多模脊形波導(dǎo)彎曲波導(dǎo)仿真模擬[101](a)不同模式的功率隨著彎曲半徑變化(b)不同模式的功率隨著波長變化Fig.8 Simulated performances of an Euler L-bend multimode rib waveguide[101](a)power fraction of differen versus the bend radius at W=2 μm； (b)power fraction of differen versus the wavelength at Reff=17.2 μm

與低折射率對(duì)比材料不同，高折射率對(duì)比材料(如SOI)制備在亞波長尺寸的彎曲波導(dǎo)將會(huì)出現(xiàn)不同的性質(zhì)。如采用SOI材料制備彎曲波導(dǎo)，由于波導(dǎo)截面不對(duì)稱并且材料具有極高的雙折射現(xiàn)象，在模式耦合和模式轉(zhuǎn)換上呈現(xiàn)特殊的性質(zhì)[99-100]。因此，可設(shè)計(jì)錐形光斑轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)脊型波導(dǎo)與矩形波導(dǎo)的高轉(zhuǎn)換效率(～100%)[99]。芬蘭VTT實(shí)驗(yàn)室[101]采用歐拉螺線形狀彎曲波導(dǎo)，其中直波導(dǎo)部分為脊形波導(dǎo)，彎曲部分采用多模矩形波導(dǎo)。結(jié)合基模比高階模損耗小原理，通過錐形光斑轉(zhuǎn)換器連接脊形波導(dǎo)和矩形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)小彎曲半徑下低能量損耗。

新型波導(dǎo)設(shè)計(jì)應(yīng)用于彎曲波導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)光束在小彎曲半徑下高效光傳輸。光子晶體波導(dǎo)[102-103]可實(shí)現(xiàn)在亞微米級(jí)彎曲半徑下低損耗高效光束轉(zhuǎn)彎。但光子晶體波導(dǎo)的制備需要較精密的儀器，不利于大規(guī)模制備。狹縫波導(dǎo)(slot waveguide)，可在低折射率對(duì)比材料(如SiO2)上制備納米級(jí)寬度的波導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)光限制和提高集成度[104-105]。表面等離子體波導(dǎo)[106-108]是利用表面等離子作用制備的亞波長量級(jí)尺寸波導(dǎo)。當(dāng)其波導(dǎo)損耗較大，可以與新型材料石墨烯等結(jié)合[109-110]，由于石墨烯可在一定程度上減少彎曲波導(dǎo)部分損耗，實(shí)現(xiàn)在小尺寸下較低損耗的彎曲波導(dǎo)。懸空波導(dǎo)[111]，由于其特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其折射率對(duì)比較大，光在芯層限制作用較強(qiáng)，泄露模式較少，可實(shí)現(xiàn)低損耗、小彎曲半徑的彎曲波導(dǎo)。

4 彎曲波導(dǎo)研究進(jìn)展

集成光學(xué)，是21世紀(jì)的前沿研究方向。隨著材料和工藝技術(shù)的快速發(fā)展，集成光學(xué)已經(jīng)取得了突破性進(jìn)展。隨著對(duì)亞微米尺寸的波導(dǎo)的基本性質(zhì)研究不斷深化，集成光學(xué)的集成度將進(jìn)一步增加，而彎曲波導(dǎo)是主要組成部分。本小節(jié)對(duì)彎曲波導(dǎo)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行簡要梳理。

2002年，浙江大學(xué)Y.Z.Tang等人[66]優(yōu)化Z字直角彎曲波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，即集成波導(dǎo)轉(zhuǎn)彎鏡面結(jié)構(gòu)(Integrated waveguide turning mirror IWTM)。優(yōu)化后波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，增大折射率比對(duì)、降低了側(cè)壁的粗糙度，其彎曲損耗為損耗0.5 dB/mirror，并將其應(yīng)用在1×2分束器上。

2003年，美國奧拉巴馬大學(xué)Lixia Li等人[112]在Z字直角彎曲波導(dǎo)結(jié)構(gòu)制備多個(gè)分離空氣槽，進(jìn)一步減少轉(zhuǎn)彎部分損耗，其中TE模式的透射率為95.2%， TM模式的透射率為97.2%。

2003年，意大利米蘭理工大學(xué)Andrea Melloni等人[70]提出一種采用不同彎曲半徑和彎曲角度組成的彎曲波導(dǎo)，以此來減少彎曲波導(dǎo)損耗，稱之為matched bend approach。此方法避免在彎曲波導(dǎo)的末端發(fā)生泄露模式激發(fā)，并且可以有效抑制單模波導(dǎo)的二階模式激發(fā)，有效改善器件性能。在掩埋波導(dǎo)、脊形波導(dǎo)、條形波導(dǎo)等彎曲波導(dǎo)結(jié)構(gòu)上，證明了此理論的正確性。

2004年，美國IBM實(shí)驗(yàn)室Y.A.Vlasov 等人[23]優(yōu)化波導(dǎo)制備工藝，采用標(biāo)準(zhǔn)200 nm CMOS制造工藝制備彎曲波導(dǎo)，減少彎曲波導(dǎo)的側(cè)壁粗糙度。當(dāng)彎曲半徑為1 μm時(shí)，彎曲損耗為(0.086±0.005) dB/turn；當(dāng)彎曲半徑為2 μm時(shí)，彎曲損耗為(0.013±0.005) dB/turn。

2004年，芬蘭VTT實(shí)驗(yàn)室[70]在單模脊形彎曲波導(dǎo)外側(cè)刻蝕空氣槽方式減少彎曲波導(dǎo)損耗。當(dāng)彎曲半徑為75 μm時(shí)，彎曲損耗為0.7 dB/90°。

2004年，法國Eric Cassan等人[113]設(shè)計(jì)制備對(duì)偏振不敏感的單模脊形彎曲波導(dǎo)，從而避免SOI材料雙折射現(xiàn)象，使彎曲波導(dǎo)在C波段應(yīng)用更廣泛。

2005年，芬蘭VTT實(shí)驗(yàn)室[72]采用多步刻蝕方式(Multi-step processing)，在脊形波導(dǎo)兩側(cè)刻蝕空氣槽。在SOI的芯層厚度為10 μm，彎曲半徑為5 mm時(shí)，通過刻蝕空氣槽的，彎曲部分損耗降低1 dB。

2006年，美國楊百翰大學(xué)Yusheng Qian等人[114]優(yōu)化直角Z形彎曲波導(dǎo)內(nèi)側(cè)形狀及外側(cè)槽型結(jié)構(gòu)，將彎曲波導(dǎo)的損耗降低到(0.32±0.02) dB/bend。

2007年，美國普渡大學(xué)Shijun Xiao等人[115]優(yōu)化測(cè)試彎曲波導(dǎo)損耗的測(cè)試方法。此方案將彎曲波導(dǎo)制作成插分微環(huán)諧振腔部分結(jié)構(gòu)，與以往需制備數(shù)量多彎曲波導(dǎo)相比，制備更加簡單，測(cè)試更便利并且測(cè)試精度提高。采用SOI材料，在彎曲半徑為4.5 μm時(shí)，彎曲損耗為(0.06 dB±0.006) dB/turn。

2008年，Robert N.Sheehan等人[95]采用曲率變化的特殊曲線形狀制備彎曲波導(dǎo)，并利用FD-BPM對(duì)其仿真(如圖9)。結(jié)果表明：彎曲波導(dǎo)采用曲率變化曲線在相同轉(zhuǎn)彎尺寸下，其損耗比單一曲率曲線的損耗小。

圖9 4個(gè)90°單模彎曲波導(dǎo)損耗隨有效曲率半徑變化示意圖[95]Fig.9 Loss in a π/2 single mode waveguide bend versus effective radius of curvature for four waveguide bend design schemes[95]

2009年，浙江大學(xué)戴道鋅等人[116]在設(shè)計(jì)特殊材料結(jié)構(gòu)方式減少彎曲波導(dǎo)損耗。采用二氧化硅波導(dǎo)，在襯底結(jié)構(gòu)上采用經(jīng)過設(shè)計(jì)后的硅和二氧化硅間隔的多層材料結(jié)構(gòu)，目的是為了減少襯底泄露損耗，降低彎曲波導(dǎo)部分損耗。

2012年，浙江大學(xué)戴道鋅等人[111]采用懸空SiO2矩形波導(dǎo)設(shè)計(jì)方案。當(dāng)波導(dǎo)寬度為1 μm，彎曲半徑100 μm時(shí)，傳輸損耗損耗為0.385 dB/cm，彎曲損耗為0.037 dB/90°。

2012年，蘇州大學(xué)Huanyang Chen等人[117]采用零折射率材料(zero index metamaterials,ZIMs)實(shí)現(xiàn)高傳輸效率的彎曲波導(dǎo)(透射率>95%)。

2012年，美國Tong Chen[87]提出一種曲率漸變的彎曲波導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)低損耗彎曲波導(dǎo)。此結(jié)構(gòu)可以減少模式失配損耗，與offset結(jié)構(gòu)彎曲波導(dǎo)相比，不依賴于光刻和刻蝕精度。

2013年，芬蘭VVT實(shí)驗(yàn)室[67]針對(duì)文獻(xiàn)[61]和文獻(xiàn)[95]單一改變彎曲波導(dǎo)形狀不能完全減少彎曲波導(dǎo)部分損耗的劣勢(shì)，設(shè)計(jì)了一種新結(jié)構(gòu)：在彎曲波導(dǎo)部分采用歐拉螺線彎曲形狀的多模矩形波導(dǎo)，在直波導(dǎo)部分采用單模波導(dǎo)。它們之間通過錐形光斑轉(zhuǎn)化器相互連接。在彎曲部分可以保證高折射率對(duì)比，加強(qiáng)光的限制，進(jìn)一步減少了彎曲部分的輻射損耗。引入脊形單模波導(dǎo)可以保證在輸出端單模輸出。通過綜合設(shè)計(jì)，有效減少了彎曲部分損耗。當(dāng)SOI材料的芯層厚度為4 μm，彎曲半徑小于10 μm，基模損耗小于0.02 dB/90°。

2015年，蘇州大學(xué)Huanyang Chen等人[118]利用梯度漸變金屬材料(Gradient Index Metamaterials,GIMs)實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)模式和表面波無能量損耗轉(zhuǎn)換，在彎曲波導(dǎo)部分利用表面波傳播可實(shí)現(xiàn)小彎曲波導(dǎo)尺寸的光波高效傳輸并且具有偏振獨(dú)立性和寬光譜響應(yīng)。

2016年，Antoine Brimont等人[49]采用理論和實(shí)驗(yàn)分析淺刻蝕脊形波導(dǎo)彎曲損耗隨彎曲半徑變化的趨勢(shì)。在彎曲半徑<100 nm時(shí)，當(dāng)彎曲半徑變大，彎曲波導(dǎo)部分損耗呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢(shì)。當(dāng)大于一定彎曲半徑后，彎曲部分損耗隨著彎曲半徑的增加而降低。采用芯層厚度為220 nm厚的SOI材料，波導(dǎo)寬度為400 nm,刻蝕深度為70 nm,當(dāng)彎曲半徑為25～30 nm，其固有的彎曲波導(dǎo)損耗最小，其損耗小于0.1 dB/90°。

5 彎曲波導(dǎo)在集成光學(xué)器件應(yīng)用

光的應(yīng)用范圍已經(jīng)從傳統(tǒng)意義上的長距離通信，應(yīng)用到了毫米級(jí)甚至芯片內(nèi)部連接，實(shí)現(xiàn)芯片級(jí)的光互連。當(dāng)摩爾定律發(fā)展遇到瓶頸，利用光子作為信息載體，可延續(xù)摩爾定律，實(shí)現(xiàn)體積小、功能全、性能穩(wěn)定的光集成器件。在集成光學(xué)中，彎曲波導(dǎo)具有重要作用，既可以作為波導(dǎo)連接非共線器件又可以作為器件某一部分結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)某些特殊作用，如延時(shí)線[119-120]、耳語回廊腔[77]、長波導(dǎo)傳感器(Waveguide sensors)[121]、陀螺儀[122]等。本小節(jié)將總結(jié)彎曲波導(dǎo)在集成光學(xué)的應(yīng)用并展望。

作為連接非共線的光學(xué)元件的波導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)光束分離和提高集成度。利用彎曲波導(dǎo)制備的Y型波導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)單光束和多光束的相互傳輸[123-124,119-120]。2014年，芬蘭VTT實(shí)驗(yàn)室[125]采用文獻(xiàn)[67]中彎曲波導(dǎo)方案結(jié)合多模干涉耦合器(Multimode Interference,MMI)和馬赫-曾德爾干涉儀(Mach-Zehnder Interferometers,MZIs)在SOI平臺(tái)上制備了彎曲波導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)了微米級(jí)別的濾波器，并將其應(yīng)用在RAM單元器件中。

圖10 插分微環(huán)濾波器的掃描電鏡示意圖[115]Fig.10 Scanning electron micrographs of two fabricated add-drop micro-resonator[115]

作為環(huán)形諧振腔的部分組件[125-128]，如插分濾波器(add-drop filter,ADF)，2008年，Shijun Xiao等人[127]優(yōu)化了彎曲波導(dǎo)形狀，制備了彎曲半徑為2.5 μm的環(huán)形諧振腔插分濾波器(add-drop filter,ADF)(如圖10),在小尺寸下實(shí)現(xiàn)了寬光譜響應(yīng)范圍的插分濾波器。2014年，Zhiping Zhou等人[128]采用半環(huán)形腔結(jié)構(gòu)制備高Q值、低損耗、高速單模諧振腔。

彎曲波導(dǎo)可構(gòu)成有源器件的部分組件。2003年，Bin Liu等人[129]制備環(huán)形InP基環(huán)形腔激光器 ，其邊模抑制比大于50 dB,光譜線寬在3～500 KHz之間。2010年，Kyoung Chan Kim等人[130]在量子點(diǎn)激光器中，在芯片中心采用彎曲波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，目的是為了減少高階模式，保證單橫模激光器。2011年，Douglas C. Hall等人[92]彎在單腔面淚滴型半導(dǎo)體激光器中應(yīng)用彎曲波導(dǎo)(如圖11)。2015年，Tomohiro Kita等人[17]在單片集成外腔半導(dǎo)體激光器的半導(dǎo)體光學(xué)增益放大區(qū)域(SOA)的出光一端 ，采用彎曲波導(dǎo)結(jié)構(gòu)(如圖12)，防止端面反射光對(duì)增益芯片的影響。2015年，Micka?l Faugeron等人[131]在高亮度錐形半導(dǎo)體激光器中采用彎曲波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，目的是減少端面反饋對(duì)種子光源的影響。

圖11 單腔面淚滴型半導(dǎo)體激光器[92]Fig.11 Single-Facet Teardrop semiconductor Laser[92]

圖12 (a)彎曲錐形半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu);(b)封裝后器件[131]Fig.12 (a)Schematics of a bent MOPA; (b)mounted device[131]

圖13 單片集成半導(dǎo)體波導(dǎo)，分束器和單光子光源[136]Fig.13 Monolithic on-chip integration of semiconductor waveguides, beamsplitters and single-photon sources[136]

彎曲波導(dǎo)作為分束器的結(jié)構(gòu)，利用倏逝場耦合功能，實(shí)現(xiàn)偏振分束[132]、能量分束[133]、方向耦合[134-135]等功能。2015年，Klaus D J?ns等人[136]將彎曲波導(dǎo)作為多模耦合分束器，制備了單光子捕獲器件。

6 結(jié)束語

目前，集成光學(xué)的研究處于快速發(fā)展時(shí)期，其對(duì)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，特別在國防、信息、航天等領(lǐng)域?qū)⑵鹬匾淖饔谩?彎曲波導(dǎo)是集成光學(xué)的重要組成部分，是研究熱點(diǎn)之一。經(jīng)過多年發(fā)展，彎曲波導(dǎo)的傳輸效率不斷提高，并在集成光學(xué)某些領(lǐng)域有了重要的應(yīng)用。

本文介紹了彎曲波導(dǎo)在集成光學(xué)中作用的基礎(chǔ)上，主要分析了彎曲波導(dǎo)損耗機(jī)理，包括傳輸損耗、輻射損耗、模式轉(zhuǎn)換損耗。從波導(dǎo)材料、彎曲形狀、波導(dǎo)種類、脊形波導(dǎo)的參數(shù)(寬度、脊高、彎曲半徑)、模場分布、彎曲波導(dǎo)曲線形狀和其他新型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)等7個(gè)方面，綜述減少彎曲波導(dǎo)部分損耗的設(shè)計(jì)方案。綜述了彎曲波導(dǎo)在集成光學(xué)的應(yīng)用并展望了其應(yīng)用。

為了獲得高傳輸效率的彎曲波導(dǎo)，可從以下幾個(gè)方面入手：

(1)分析彎曲波導(dǎo)部分模式之間耦合機(jī)理，研究亞波長尺寸彎曲波導(dǎo)的基本性質(zhì)；

(2)分析不同曲線形狀對(duì)于彎曲波導(dǎo)損耗影響，結(jié)合彎曲波導(dǎo)損耗機(jī)理，進(jìn)一步設(shè)計(jì)低損耗小彎曲半徑結(jié)構(gòu)的彎曲波導(dǎo)；

(3)發(fā)展新型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。通過與新波導(dǎo)材料結(jié)合，設(shè)計(jì)尺寸小、低損耗、新功能的彎曲波導(dǎo)；

(4)在lnP基襯底上制備增益彎曲波導(dǎo)，分析彎曲波導(dǎo)對(duì)于載流子分布影響，研究增益補(bǔ)償和彎曲損耗之間關(guān)系，實(shí)現(xiàn)彎曲波導(dǎo)在有源器件上的應(yīng)用。

總之，隨著互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，集成光學(xué)是光通信的重要研究熱點(diǎn)，是未來發(fā)展的主要方向。但集成光學(xué)器件，仍處于實(shí)驗(yàn)室開發(fā)階段，沒有達(dá)到規(guī)?；逃玫臈l件。實(shí)現(xiàn)不同功能光學(xué)器件集成于同一芯片有很多難點(diǎn)，如不同功能器件對(duì)材料要求不同，利用同一種材料實(shí)現(xiàn)多功能器件難度較大；高密度光子器件集成易導(dǎo)致?lián)p耗較大并且容易出現(xiàn)串?dāng)_現(xiàn)象等。在集成光學(xué)中，在降低彎曲波導(dǎo)損耗的同時(shí)解決小尺寸的串?dāng)_問題，提高成品率和系統(tǒng)穩(wěn)定性，降低生產(chǎn)成本，有利于集成光學(xué)的規(guī)?；逃?。

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Reseach progress of bent waveguide and its applications

GAO Feng1,2, QIN Li1, CHEN Yong-yi1*, JIA Peng1, CHEN Chao1, LIANG Lei1, CHEN Hong1,2, ZHANG Xing1, NING Yong-qiang1

(1.StateKeyLaboratoryofLuminescenceandApplications,ChangchunInstituteofOptics,FineMechanicsandPhysics,ChineseAcademyofSciences,Changchun130033,China； 2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China)

*Correspondingauthor,E-mail:chenyy@ciomp.ac.cn

The loss mechanism of bent waveguide including the bending loss, propagation loss, radiation loss and the loss of mode conversion are theorically analysed in this paper . It focuses on the review of the design of low loss bent waveguide, including materials, the shape of bent waveguide, strip or rib waveguide, the width, height and radius of the bent waveguide, the dismatch of mode, the shape of the curve and other new structures. The representative works on the design and fabrication of low loss bent waveguides are summarized. The development status of the low loss bent waveguide is analysed and its applications in integrated optical are introduced. The future developing trend of bent waveguide is to develope the theory of the loss characterization and wave coupling, and to realize low bending loss with very small bending radii for high desity integration in Photonics Integrated Circuits(PICs).

bent waveguide;integrated optical;Silicon-on-insulator(SOI);low-loss-waveguide

2016-10-12；

2016-11-14

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.61234004, No.11404327, No.61306086, No.11404327)；國家科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目(No.2014ZX04001151)；吉林省科技發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(No.20150203007GX， No.20140101172JC, No.20140520132JH)；長春市重大科技攻關(guān)計(jì)劃資助項(xiàng)目(No.14KG006)；長春市科技局計(jì)劃資助項(xiàng)目(No.15SS02) Supported by National Natural Science Foundation of China(No.61234004, No.11404327, No.61306086, No.11404327); National Science and Technology Major Project of China(No.2014ZX04001151); Jilin Province Science and Technology Development Plan Project of China(No.20150203007GX, No.20140101172JC, No.20140520132JH); Changchun City Major Scientific Research Project of China(No.14KG006); Changchun Science and Technology Bureau Project(No.15SS02)

2095-1531(2017)02-0176-18

TN256

A

10.3788/CO.20171002.0176

高 峰(1990—)，男，吉林磐石人，博士研究生，主要從事窄線寬半導(dǎo)體激光器方面的研究。E-mail:summit1990@163.com

陳泳屹(1986—)，男，吉林長春人， 博士，助理研究員， 主要從事表面等離子體與半導(dǎo)體激光器方面的研究。E-mail:chenyy@ciomp.ac.cn