10/1/2007, 作者 浙江大學(xué) 宋軍博士
    在光學(xué)里按照涉及領(lǐng)域的不同，又分為若干個(gè)子學(xué)科，而其中與光通訊聯(lián)系最緊密的應(yīng)該是導(dǎo)波光學(xué)了。在光通訊里應(yīng)用的絕大多數(shù)有無源器件，包括光纖在內(nèi)，都需要導(dǎo)波光學(xué)做理論支撐，因此獲悉導(dǎo)波光學(xué)的發(fā)展近況，對(duì)了解光通訊的應(yīng)用發(fā)展具有一定啟發(fā)意義。本期JLT是一個(gè)關(guān)于導(dǎo)波光學(xué)理論研究的�？�。由于�？瘋�(cè)重于理論研究，因此如果按照以往那樣介紹主要論文的研究內(nèi)容，會(huì)顯得枯燥晦澀，因此這里我打算打破常規(guī)，對(duì)本期的文章不側(cè)重于內(nèi)容，而將按照不同的主題對(duì)這些論文做一些總結(jié)與分析。

導(dǎo)波光學(xué)中的新興概念： 
新型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)： 
    自導(dǎo)波光學(xué)開始成為一門獨(dú)立學(xué)科以來，基于硅基二氧化材料的波導(dǎo)一直是占據(jù)主導(dǎo)地位的技術(shù)，這類低折射率差（Δn<1%）波導(dǎo)結(jié)構(gòu)具有低損耗、低偏振相關(guān)損耗、低雙折射、易與光纖對(duì)接等優(yōu)勢(shì)。但至90年代末期以來，由于大規(guī)模集成器件的廣泛應(yīng)用，人們?cè)陉P(guān)注器件性能的同時(shí)，也越來越在意器件的尺寸因素。因此更適合大規(guī)模光電一體化集成的SOI材料變成了新的研究主體。然而這種大折射率差（Δn>100%）波導(dǎo)雖然能夠?qū)崿F(xiàn)低損耗直角彎曲和大規(guī)模光電集成，但其偏振較為敏感。本期�？�有篇來自意大利研究者的特邀論文，提供了一種全新的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其使用低折射率材料做芯層（氧化硅），在芯層外使用薄薄一層高折射率材料（氮化硅），這種被稱為盒子型波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)，將能量限制在薄的高折射率材料周圍，同時(shí)擁有硅基二氧化硅波導(dǎo)和SOI波導(dǎo)的雙重優(yōu)勢(shì)，既能獲得較好的傳輸性能，也適合大規(guī)模集成，其單模波導(dǎo)截面尺寸大約為1平方微米左右。作者在對(duì)該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)做電磁場(chǎng)分析以后，也通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試了波導(dǎo)相關(guān)性能，作者暗示制作這種盒子波導(dǎo)，最好的是采用LPCVD工藝。

小型化： 
    上面已提到，在90年代末期以來，器件的小型化在光集成器件應(yīng)用中占據(jù)越來越主要的地位。從這次�？�可以看到，小型化是研究的重點(diǎn)。從小型化渠道來看，主要有光子晶體、納米硅材料、表面等離子波材料等。而這些納米結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)之所以受到關(guān)注，并不僅僅是因?yàn)槠淇梢垣@得緊湊的器件結(jié)構(gòu)，更主要的是因?yàn)橛纱苏Q生了許多獨(dú)特的光學(xué)現(xiàn)象，例如一些特定結(jié)構(gòu)的納米波導(dǎo)其非線性系數(shù)比傳統(tǒng)波導(dǎo)高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因此只需要較低的輸入光功率就可以產(chǎn)生較大的非線性效應(yīng)。進(jìn)而誕生了低功率非線性效應(yīng)這個(gè)獨(dú)立學(xué)科。如果這些得到良好運(yùn)用，將硅等非線性系數(shù)較小的材料應(yīng)用在光放大、波長轉(zhuǎn)換等有源器件中，進(jìn)而光電一體化集成都更加可行。本期文章較多，但特邀論文不多，另一篇來自麻省理工的論文就是關(guān)于納米波導(dǎo)非線性特性分析的。

慢光效應(yīng)： 
    最近一個(gè)普受關(guān)注的光學(xué)熱點(diǎn)是慢光，所謂慢光就是利用特殊的媒介或結(jié)構(gòu)，控制光的群速度，甚至接近零。這樣人為的讓光“慢”下來。慢光一個(gè)最根本的運(yùn)用在于光存儲(chǔ)和光延時(shí)，眾所周知，全光交換的一個(gè)難點(diǎn)就在于可用光延時(shí)技術(shù)的缺乏，現(xiàn)有的技術(shù)基本都依賴于光纖延時(shí)線結(jié)構(gòu)。�？�里有一篇荷蘭研究者的文章，作者利用雙端口環(huán)形共振器結(jié)構(gòu)，可以靈活的調(diào)控群速度，讓其快或慢，正或負(fù)。

表面等離子波導(dǎo)： 
    所謂表面等離子波導(dǎo)就是利用“金屬-介質(zhì)-金屬”或“介質(zhì)-金屬-介質(zhì)”的結(jié)構(gòu)，讓光貼著金屬表面以等離子波的形式向前傳播，表面等離子波導(dǎo)事實(shí)上早在1902年就已經(jīng)被提出并被廣泛研究。但最近研究突然異�；馃幔�只去年就有幾百個(gè)課題組對(duì)此立項(xiàng)研究。前不久，有幸聽到了“光子晶體之父” Yablonovitch教授的一個(gè)報(bào)告，但其中并沒有聽到任何關(guān)于光子晶體的內(nèi)容，因?yàn)樗�把研究重點(diǎn)放在了基于表面等離子波的納米聚焦結(jié)構(gòu)上。從光集成化的角度而言，表面等離子波導(dǎo)并不是理想化的光電器件載體，因?yàn)榻饘俦旧砭哂邢喈?dāng)大的吸收系數(shù)，因此傳輸損耗相當(dāng)大。但表面等離子是基于金屬和介質(zhì)兩種材料的結(jié)合，因此很自然想到其具有天然的橋接優(yōu)勢(shì)，可以將電子集成電路芯片和光學(xué)半導(dǎo)體芯片以表面等離子波的形式連接在一起。�？�里涉及到表面等離子波的文章也有很多，內(nèi)容上主要涉及模擬方法、亞波長結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)以及傳感應(yīng)用等內(nèi)容。

理論研究方法： 
    對(duì)集成波導(dǎo)器件的仿真設(shè)計(jì)以前最多的是基于束傳播方法（BPM），但從本期的論文來看，研究方法已經(jīng)朝著更復(fù)雜，精度要求更高的一些數(shù)值方法演變。�？�里應(yīng)用最多的仿真方法主要是時(shí)域有限差分（FDTD）和有限元（FEM）方法。前者直接對(duì)Maxwell方程進(jìn)行差分，并沒有做時(shí)諧場(chǎng)近似，后者主要基于變分方法，將計(jì)算區(qū)域分為若干個(gè)三角形。這里并不打算對(duì)這些仿真過程和結(jié)果做更多介紹，但從這些方法的運(yùn)用可以清晰揭示導(dǎo)波光學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)。首先FDTD的廣泛應(yīng)用證明光集成正朝著小型化發(fā)展，器件經(jīng)常是亞波長結(jié)構(gòu)且具有強(qiáng)反射、強(qiáng)非線性等特點(diǎn)。而FEM的廣泛使用主要是因?yàn)槠骷�結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜化，因?yàn)镕EM相比差分方法一個(gè)優(yōu)勢(shì)就是更適應(yīng)不規(guī)則面形的分析。

    而對(duì)一些特殊應(yīng)用，如對(duì)非線性特性分析等也有許多作者利用更簡便的方法，入微擾理論、耦合模理論等，這些研究都是希望在獲得與精確方法如FDTD相當(dāng)計(jì)算精度的同時(shí)，提高計(jì)算效率并獲得相對(duì)顯式的物理結(jié)果。

研究熱點(diǎn)： 
光子晶體： 
    雖然光子晶體已經(jīng)被研究了20年，但目前仍是導(dǎo)波光學(xué)這一塊擁有研究人數(shù)最多的方向。本期�？�，有超過三分之一的文章都是關(guān)于光子晶體研究的。但研究內(nèi)容已表現(xiàn)的相當(dāng)多樣化。

   在理論方面主要是對(duì)一些特殊結(jié)構(gòu)作更精確的仿真，例如三星電子的研究者對(duì)二維非正交元胞的光子晶體用FDTD方法做了分析；德國的研究者則對(duì)準(zhǔn)周期性光子晶體的缺陷模式做了分析；Corning公司的研究者對(duì)光子晶體光纖結(jié)構(gòu)扭曲帶來的缺陷做了模擬分析；Texas大學(xué)的研究者者則對(duì)三維光子晶體的反射問題做了研究。

   而光子晶體方面更多的內(nèi)容是側(cè)重于應(yīng)用，應(yīng)用場(chǎng)合也相當(dāng)多元化，例如，法國研究者在二維光子晶體中引入合適缺陷設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)緊湊的波分復(fù)用器；英國研究者通過使用短的光子晶體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了脈沖壓縮器，以便獲得超快脈沖；Utah大學(xué)的研究者在脊形波導(dǎo)里加入一維光子晶體結(jié)構(gòu)，降低損耗的同時(shí)改變波導(dǎo)光學(xué)特性；成都電子科技大學(xué)的研究者利用一維光子晶體中的半波相移特性制作了多通道濾波器；波蘭研究者將光子晶體結(jié)構(gòu)與VCSEL激光器相結(jié)合，改善了激光輸出的單模特性，并提高了功率；北海道大學(xué)的研究者靠壓制光子晶體光纖中的高階模和表面模，設(shè)計(jì)了大孔徑光子晶體光纖。

波導(dǎo)集成器件： 
    在傳統(tǒng)光波導(dǎo)方面研究主要圍繞新型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、光電集成、新型器件應(yīng)用等。首先應(yīng)該特別關(guān)注環(huán)形微共振器這個(gè)結(jié)構(gòu)，因?yàn)檫@個(gè)結(jié)構(gòu)是近些年來受到關(guān)注最多，應(yīng)用最廣泛的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)之一。通過兩根直波導(dǎo)與一個(gè)環(huán)狀的波導(dǎo)兩端靠近，在形成共振時(shí)可以將一根波導(dǎo)耦合進(jìn)入另一根波導(dǎo)中，通過外加電極改變共振條件，進(jìn)而可以改變輸出端口。這個(gè)結(jié)構(gòu)雖然簡單，但由于利用了共振特性，因此濾波邊緣陡峭，很適合信號(hào)路由使用。在可調(diào)耦合器、偏振分束與轉(zhuǎn)換、波長轉(zhuǎn)換、色散補(bǔ)償、可調(diào)光開關(guān)等場(chǎng)合都可以看到該結(jié)構(gòu)的運(yùn)用。本期關(guān)于該結(jié)構(gòu)仿真與運(yùn)用的文章也很多，包括前面提到的慢光生成等。還有一篇法國的研究，利用具有克爾非線性的環(huán)形共振器來實(shí)現(xiàn)功率轉(zhuǎn)換，進(jìn)而改善信噪比，起到脈沖整形的作用，可以用在3R系統(tǒng)里。

    此外光波導(dǎo)器件這一塊，研究較多的器件和效應(yīng)還包括：量子阱效應(yīng)的運(yùn)用、VCSEL激光器改進(jìn)、高消光比的偏振分束器設(shè)計(jì)等。

    而光電集成芯片（OEIC）這一塊正朝向高集成密度方向發(fā)展，例如比利時(shí)研究者提出了多層光集成芯片的布局方案，并對(duì)工藝誤差對(duì)性能的影響做了分析。在電子電路上多層制版已經(jīng)是廣泛應(yīng)用的技術(shù)，甚至高達(dá)十幾層的電路布線都可以實(shí)現(xiàn)。但在光集成器件上，這還是一個(gè)探索性話題，因?yàn)榧词箚螌拥腛EIC目前還有許多技術(shù)問題，要實(shí)現(xiàn)多層布板，需要面對(duì)的問題更多。