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SOI光波导器件前沿研究光电信息学院赵正松2011059050025摘要：SOI（Silicon-on-insulator绝缘衬底上的硅）是一种折射率差大、波导传输损耗小的新型材料，SOI基光电子器件具有与微电子工艺兼容、能够实现OEIC单片集成等优点，近年来随着SOI晶片制备技术的成熟,SOI 基波导光波导器件的研究日益受到人们的重视.介绍了弯曲波导、光耦合器、可调谐光衰减器、光调制器和光开关等常见的SOI基光波导器件的一些研究进展。
引言：光纤通讯网络中，波分复用（WDM）是提高传输速率和扩大通讯容量的理想途径:通过在单根光纤中多个波长的复用，可以充分利用光纤巨大的带宽资源,实现不同数据格式信息的大容量并行传输，同时又可降低对器件的超高速要求。
在WDM网络中，网际间交叉互联（OXC）光信号上下载路（OADM）,以及波长变换等关键技术的实现使得WDM 网络具有高度的组网灵活性、经济性和可靠性。
在WDM光网络中，网际OXC和节点OADM功能是最核心的技术，光滤波器、光耦合器、光开关、可变光衰减器、波长变换器、复用与解复用器等是最关键的器件[1].在基于各种材料的光波导器件中,硅基光波导器件格外引人注目。
硅基光波导材料有SOI絶缘体上的硅）、SiO2/Si和SiGe/Si等多种.硅基光波导的优势在于:硅片尺寸大、质量高、价格低;硅基光波导材料具有较大的折射率差，便于缩小器件尺寸和实现平面光波回路（PLC单片集成；电学性能好，易于控制, 具备光电混合集成的潜力;机械性能好,加工方便,可以光刻腐蚀成各种三维光波导结构；硅的热导性和热稳定性好,可以直接用作集成芯片的热沉,器件封装结构简单.最重要的是硅的加工工艺与传统微电子工艺兼容,适合低成本制作硅基光电子集成（OEIC芯片。
本文主要研究的SOI硅基光波导材料全名为Silicon On Insulator是指硅晶体管结构在绝缘体之上的意思，原理就是在Silicon （硅）晶体管之间，加入绝缘体物质，可使两者之间的寄生电容比原来的少上一倍。
![曲折损耗与光纤的曲率半径[最新]](https://img.taocdn.com/s1/m/de3511d1ab00b52acfc789eb172ded630a1c9840.png)
弯曲损耗与光纤的曲率半径弯曲损耗与光纤的曲率半径（转载）光纤通信技术的飞速发展冲击了当今所有的通信技术领域。
目前全世界已敷设光纤数亿km，光纤通信不仅在陆地上使用，而且还形成了跨越大西洋和太平洋的海底光缆线路，光缆几乎包围了整个地球。
从我国情况来看，“十五”规划末我国光缆总长度将达到250万km，近两年，我国平均每年铺设光缆30万km左右，在今后5年中，国内光缆需求总量将达到250万km。
本文将对光纤应用中的两种弯曲损耗情况进行分析并简要说明其应用。
光纤的弯曲损耗和微弯损耗都是由于光不满足全内反射的条件而造成的。
2弯曲损耗2.1弯曲损耗的机理现代光纤最重要的优点之一就是它的易弯曲性，如果光纤弯曲的曲率半径太小，将引起光的传播途径的改变，使光从纤芯渗透到包层，甚至有可能穿过包层向外渗漏。
在正常情况下，光在光纤里沿轴向传播的常数?β应满足：n2k0＜β＜n1k0?。
当光纤弯曲时，光在弯曲部分中进行传输，要想保持同相位的电场和磁场在一个平面里，则越靠近外侧，其速度就会越大。
当传到某一位置时，其相速度就会超过光速，这意味着传导模要变成辐射模，所以，光束功率的一部分会损耗掉，这也就意味着衰减将会增加。
光纤成缆、现场敷设、光缆接头等场合都会引起光纤的弯曲损耗。
2.2弯曲损耗的理论计算按照D.Marcuse的理论，当弯曲半径潍R?时，弯曲损耗系数为： ?2αb=?π?u?2emW?32V?2Rkm-1(Wa)km+1(Wa)?exp?-23W?3β?2R(1) 其中，u,W分别为径向归一化相位常数和径向归一化衰减常数，β是轴向传播常数，a是纤芯半径，V是归一化频率，km是m阶修正贝塞尔函数，em=2(m=0),em=1(m≠0)?。
式(1)对每种LPmn模都成立。
单模光纤中只传播LP01模，所以只考虑LP01模就可以了，即：?2αb=?π?u?22W?32V?2Rk-1(Wa)k1(Wa)?exp?-23W?3β?2R?(2) Jeunhumme对单模光纤给出了如下的计算公式,假设半径潍R，则每单位长度的损耗为：αc=AcR?-12?exp?(-UR)(3) Ac=12?π?aW?3uWk1(W)?2(4)U=4ΔnW?33aV?2n2(5) 式中a和Δn分别是纤芯半径和纤芯―包层的折射率差，u,W 和V分别为径向归一化相位常数、径向归一化衰减常数、归一化频率。
自由空间路径损耗模型一、引言自由空间路径损耗模型是无线通信领域中常用的一种模型，用于描述无线信号在自由空间中传播过程中的信号损耗情况。
该模型基于电磁波的传播特性和自由空间中的阻抗特性，通过计算距离和频率等参数，可以估计信号在传播过程中的损耗情况。
本文将介绍自由空间路径损耗模型的原理、计算公式以及应用场景。
二、自由空间路径损耗模型的原理自由空间路径损耗模型是基于电磁波在自由空间中传播的特性来建立的。
根据电磁波传播的规律，信号在自由空间中的损耗主要取决于传播距离和频率。
在传播距离相同的情况下，频率越高，损耗越大。
这是因为高频信号的波长较短，更容易受到自由空间中的散射、反射和衰减等因素的影响。
三、自由空间路径损耗模型的计算公式自由空间路径损耗模型的计算公式如下：路径损耗(dB) = 20log10(d) + 20log10(f) - 147.55其中，路径损耗是以分贝（dB）为单位的，表示信号在传播过程中的损耗情况；d是传播距离，单位为米（m）；f是信号的频率，单位为赫兹（Hz）。
四、自由空间路径损耗模型的应用场景自由空间路径损耗模型主要应用于无线通信系统的规划和设计中。
通过该模型，可以估计信号在不同距离和频率下的损耗情况，从而确定无线设备的传输距离和功率要求。
在无线通信系统的建设过程中，合理地选择信号的频率和功率，可以有效地提高信号的覆盖范围和质量。
自由空间路径损耗模型还可以应用于无线信号强度的预测和建模。
通过测量不同距离和频率下的信号强度，可以建立信号强度的模型，为无线定位、无线室内覆盖等应用提供参考。
五、总结自由空间路径损耗模型是无线通信领域中常用的一种模型，用于描述无线信号在自由空间中传播过程中的信号损耗情况。
该模型基于电磁波的传播特性和自由空间中的阻抗特性，通过计算距离和频率等参数，可以估计信号在传播过程中的损耗情况。
自由空间路径损耗模型在无线通信系统的规划和设计中起着重要的作用，可以优化无线设备的传输距离和功率要求。
骨架式光缆的弯曲半径和弯曲损失分析研究引言：随着信息技术的飞速发展，光纤通信作为一种高速、大容量的传输方式得到了广泛应用。
光纤通信的核心是光缆，它承载着巨大的信息流量。
在实际的应用过程中，光缆需要经历各种弯曲和曲折的布置。
然而，弯曲过大或频繁的弯曲会导致光缆的损耗以及传输质量的下降。
因此，对光缆的弯曲半径和弯曲损失进行研究是非常重要的。
本文将从理论和实验两个方面阐述骨架式光缆的弯曲半径和弯曲损失的分析研究。
一、理论研究1. 弯曲半径的基本概念光缆的弯曲半径是指在光缆的单元长度内，光缆的曲线半径大小。
弯曲半径越小，光缆的弯曲就越大。
理论上，光缆的弯曲半径可以非常小，但实际应用中需要考虑光缆的抗弯性能以及传输质量。
2. 弯曲损失的形成机制当光缆被弯曲时，光线在光缆中传输的路径会发生改变，从而导致一部分光信号能量的散失。
这种光信号能量的散失被称为弯曲损失。
光缆的材料、结构和工艺会影响弯曲损失的产生。
3. 弯曲损失的计算方法弯曲损失的计算是光缆设计中的重要工作之一。
目前常用的计算方法有经验公式法和数值仿真法。
经验公式法是通过试验和经验总结得出的近似计算方法，主要用于常见的光缆结构；数值仿真法是基于光传输理论和光缆结构参数，通过计算机模拟进行的。
4. 弯曲半径和弯曲损失的关系弯曲半径和弯曲损失之间存在着一定的关系。
一般来说，当弯曲半径较大时，弯曲损失较小，传输质量较好；弯曲半径较小时，弯曲损失较大，传输质量较差。
因此，合理选择光缆的弯曲半径对于保障光缆的传输质量至关重要。
二、实验研究1. 实验装置介绍本文通过搭建一套实验装置对骨架式光缆的弯曲半径和弯曲损失进行实验研究。
实验装置主要由光纤光源、光功率计、示波器等仪器组成。
2. 实验过程在实验过程中，首先需要准备不同弯曲半径的光缆样品。
然后将样品固定在实验装置中，通过改变弯曲半径，记录弯曲损失和光功率的变化情况。
最后，根据实验数据分析光缆的弯曲半径和弯曲损失的关系。
一种S波段宽带双圆极化天线设计本文设计了一种新型宽带高增益双圆极化天线，该天线采用圆形罩杯和多个金属圆盘贴片相结合的层叠结构。
通过改变圆形罩杯和金属圆盘贴片直径的大小来调节天线单元的增益以及天线的阻抗带宽，得到了良好的效果。
天线通过四点正交馈电方法实现圆极化辐射。
馈电网络采用具有低损耗特性空气板线形式的90o电桥和180o环形电桥组成。
通过激励90o电桥两个输入端口实现天线左右旋圆极化变换。
采用商业仿真软件HFSS对天线结构尺寸进行优化设计，仿真结果表明该天线具有结构形式简单、增益高、带宽宽、轴比性能好等优点。
该天线适合用于一些小角度扫描的相控阵天线系统。
标签：圆极化；宽带；高增益；轴比1 引言本文设计了一种通过四点正交馈电的高增益罩杯天线，该天线采用圆形罩杯和金属圆盘贴片相结合。
通过多个圆盘贴片谐振在不同的频点来展宽天线的阻抗带宽，同时利用不同尺寸的反射罩杯来改变天线单元增益。
天线的馈电网络由一个90o电桥和两个180o环形电桥组成。
通过HFSS对天线单元结构尺寸进行优化分析，结果表明天线的S11在工作带宽（2Ghz-2.3Ghz）范围内小于15dB。
天线方向图法向轴比在±13o范围内小于1.5dB，增益大于14dB。
这种结构的圆极化天线在一些小角度扫描相控阵天线系统具有广泛的应用前景。
2 圆极化辐射单元设计天线结构形式如图1所示分为2个部分。
上层为罩杯天线，下层为天线的馈电网络。
罩杯天线为4层结构，上3层为辐射金属圆盘，最下层为金属反射罩杯。
辐射金属圆盘通过一个金属圆柱支撑杆串连起来。
罩杯天线的4个馈电点位于最下层的金属圆盘贴片。
为了实现罩杯天线辐射场的左右旋圆极化可变，天线的馈电网络采用具有低损耗特性空气板线形式的90o电桥和180o环形电桥组成如图2所示。
通过激励90o电桥不同输入端口实现输出端口相位0o、90o、180o、270o 和270o、180o、90o、0o变化。
通过HFSS对天线单元优化仿真。
实验三：弯曲波导结构设计一、实验目的：1、掌握弯曲波导的结构、工作原理2、了解弯曲波导的分析方法及其仿真技术 二、实验原理：在以玻璃为代表的透明介质衬底的表面上，附着上折射率比衬底略高、厚度可以与光波长相比较的薄膜，光就会被封闭于这种高折射率的薄膜层内构成波导。
在二维光波导的情况下，只有沿厚度方向对光是封闭的，因此波导中的光可以沿表面自由传播。
这么一来光就有可能因为衍射而被全部散失掉。
但是，实际上利用光波导组成光调制器和光开关的时候，光沿表面方向也必须是封闭的，光波的分路、弯曲、耦合等也必须都能够控制，这就是三维光波导。
作为变换光路用的三维光波导器件，弯曲波导占据重要地位。
其中，弯曲半径R 越小，传输距离越短，越容易产生光路变换。
但是弯曲波导的损耗随着弯曲半径R 的减小而增加。
图1表示弯曲部分的导模场分布。
在弯曲波导中，为了使光波在传输过程中，其波面不被破坏，弯曲部分外侧波导光的相速度必须大于内侧波导光的相速度。
因此，在弯曲外侧所看到的光波中，在c r r ≥部分的相速度会超过光速。
这就意味着在c r r ≥部分的光波在半径方向上存在着辐射损耗。
当设计弯曲波导时，正确评估这部分辐射损耗至关重要。
假定在弯曲部分伴随着辐射而造成的波导光衰减常数为a ，在1<<aR 的场合下，可以得出)32exp()2()()2exp(223202222R W k n N W k a s s s s y s βγγβγγ-•+-≈图1 弯曲波导的导模场分布再者，由图1可知，弯曲部分导模场分布偏向拐弯的外侧，该现象被称之为边缘模，这种场分布现象与波导的直线部分的场分布是不同的。
由此而产生了弯曲部分入口处的场分布不匹配，入射光的部分功率辐射进衬底，这种损耗叫做模变换损耗，它与辐射损耗一起构成了决定弯曲波导损耗的主要原因。
三、实验内容：利用OptiBPM6.0设计一个弯曲波导并观察并分析相关结果。
四、实验方法：1、创建材料库：材料库参数：Materials－Dielectric1：Name: cladding2D Isotropic Refractive ：1.4423D Isotropic Refractive ：1.442Name: guide2D Isotropic Refractive ：1.453D Isotropic Refractive ：1.45Profiles－Channel：Name: channel2D Profile definition material: guide晶体参数：Profile：channelWafer Dimensions参数：Length: 800Width:502D Wafer Properties参数：Material：cladding2．添加波导和输入平面：（1）波导参数如下表：波导名称Start offset End offsetWidthWaveguideradius Horizontal Vertical Horizontal VerticalArcwaveguide0 -10 800 -8 4 4000（2）添加输入平面（3）输入面的参数中将Z position的值设置为2.0000。
新型S形光波导低弯曲损耗路径设计孙光春;周自刚;杨永佳;王强【摘要】为了降低光波导中的弯曲损耗,从理论上分析了光波导的弯曲损耗、过渡损耗产生的根源,并以此为依据推导出符合弯曲、过渡低损耗的5次,6次,7次,8次和9次幂函数表达式.由MATLAB和MAPLE工具软件计算可知,9次幂函数的图形曲线最圆滑,当取h=125μm,L=800μm(高分支比)时其弯曲损耗可以减小到4.57dB,与传统常用的余弦函数和反正弦函数进行比较,在相同条件下弯曲损耗有了明显的降低.结果表明,所设计的1×4光功分器优化路线,传输性能优良,分配均匀.这为以后Y分支光波导的制作有很好的指导意义.【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2010(034)005【总页数】4页(P690-693)【关键词】集成光学;低弯曲损耗;9次幂函数;MATLAB;有限差分光束传输法【作者】孙光春;周自刚;杨永佳;王强【作者单位】西南科技大学,理学院,绵阳,621010;西南科技大学,理学院,绵阳,621010;西南科技大学,理学院,绵阳,621010;西南科技大学,理学院,绵阳,621010【正文语种】中文【中图分类】TN252;TN256引言光波导是集成光学中必不可少的器件。
由于光波导中光束传播方向的改变和光束传输轴移位的需要,光波导中的弯曲是必需的，波导弯曲会引起波导材料在光的传输方向上光学特性分布的变化,引入传输中光波的额外损耗。
在光波导器件中为了使光波按要求传输，同时尽可能减小传输损耗，人们对光波导弯曲的光路设计进行了广泛的研究[1-4]。
因此，找到一种大角度、低损耗的波导弯曲路径就变得很重要。
为了设计出低损耗的光波导，得出有效的计算方法，本文中将分析波导弯曲中产生的根源，考虑相关的边界条件，推导光波导S弯曲的优化函数公式，并进一步理论上计算弯曲函数的损耗。
1 弯曲损耗理论分析1.1 纯弯曲损耗若仅仅基于弯曲的本质性考虑，其损耗可分为两部分：纯弯曲损耗和过渡损耗[5]，弯曲损耗系数可以表示为：α(R)=Cexp(-C0R)(1)式中，R为弯曲段的曲率半径,C,C0与R无关，由相应的直波导决定[6]。
其中，和y″分别表示函数y的1次导数和2次导数，C的表达式比较复杂，详见参考文献而ΔN=N-nb，N为对称波导的有效折射率，nb为衬底和覆盖层折射率，λ为自由空间波长。
最后得到纯弯曲损耗表达式：α(R)=8.686C1exp(-C2R) (dB/cm)(2)在此采用MUSTIELES等人[8]所分析的S形波导弯曲及相应的波导结构参量，如此C1=8.64mm-1，C2=0.10mm-1,总的损耗αt为：αt=α(R)ds。
可以化为：(3)式中，s为波传输的路径。
1.2 过渡损耗过渡损耗是由于波导的曲率变化不连续所引起，通常这部分损耗会发生在直波导和弯曲波导之间的连接处，若弯曲结构函数的1阶和2阶导数均连续，则可使过渡损耗减至最小为0。
2 低损耗优化路线设计根据损耗理论可知，波导弯曲的总损耗是弯曲结构的泛函[10]，对于给定的位置及要求，必存在一个使弯曲损耗最小的弯曲结构函数y(x)。
优化的波导弯曲结构应该具有的基本条件为：结构函数、导函数和曲率函数均连续，并在此基础上略去端点(曲率半径为0)的过渡损耗，将弯曲区的纯弯曲损耗降至最低，并且考虑将两个相反的S型弯曲结构合并时产生的耦合损耗降至最低(如图1所示)。
Fig.1 Y-waveguide若给定结构函数的边界条件(长为L，分支曲线最大间距为2h的区域)，考虑消去端点处的过渡损耗，可令曲率半径在端点处的值为无穷大，从曲率半径的表达式可知2阶导函数的值为0。
即：y″(0)=0,y″(L)=0(4)对于分支耦合损耗，如果光路分支能够从无间隙开始分离开去，将获得最大的耦合效率，分支损耗最小。
故在不考虑线宽的情况下，从无间隙开始分开意味着弯曲结构在端点处的分支角为0(1阶导函数为0)。
即：y′(0)=0，y′(L)=0(5)同时，由弯曲结构本身可知，在端点处的值分别为0和h。
即：y(0)=0,y(L)=h由上述(4)式～(6)式的边界条件，按照数学理论，可满足5次幂函数的求解，故可假设弯曲结构的方程为：y=ax5+bx4+cx3+dx2+ex+f(7)式中，a,b,c,d,e,f为待定常数。
将边界条件代入(7)式则有：(8)由上式可得(MATABLE编程求解)：故得弯曲结构函数为：(9)同理，如果为了更好地使初端和末端有更好的弯曲程度，加入y‴(0)=0或y‴(L)=0，理论上这样会得到更好的平滑曲线，这就得到了7个边界条件，从而可以确定两个6次幂函数。
设6次幂函数为:y=ax6+bx5+cx4+dx3+ex2+fx+g。
有边界条件可得：(10)或：(11)从而求得6次幂函数为：或：(13)同理,为了更光滑，直接引入y‴(0)=0和y‴(L)=0的初始条件，从而可以求得一个7次幂函数，为：(14)同理,再追加引入y(4)(0)=0或y(4)(L)=0,可得两个8次幂函数为：(15)或：(16)同理,y(4)(0)=0和y(4)(L)=0同时满足，可求得9次幂函数为：(17)当然原则上可以无限求下去，不过由MATABLE画图和对曲线求路程积分(见表1)看出，解到9次幂传输路程明显增大，路程越长意味着材料对光信号的本征吸收、散射损耗越大，目前工业制造的光纤在1.3μm波段附近，其损耗在0.3dB/km～0.4dB/km范围之间[11]，S型弯曲路线的吸收损耗、散射损耗更大得多。
加上本身考虑到理论上已经达到足够高的精度和实验上操作的简洁性、可实现性，所以没必要继续往下求解。
Table 1 The length ofpathbendfunctionfive⁃powersix⁃powerAsix⁃powerBseven⁃powereight⁃pow erAeight⁃powerBnine⁃powersinecosinelengthofpath/μm813．738814．939 814．9391815．6112816．6031816．6031817．2688814．3981811．9147 3 路线模拟和损耗计算首先给出以往常用的上升反正弦函数弯曲曲线和余弦函数弯曲曲线。
上升反正弦型弯曲波导表达式为[7]：(18)余弦型弯曲波导表达式为：(19)接着对所有函数表达式进行图像模拟和损耗计算，综合考虑分支比与损耗的关系，取h=125nm,L=800nm，此时L2/h=5120mm及分支角θ=2arctan(h/L)=17.77°(有比较大的分支角度)，为了形象地表示曲线，本文中利用MATLAB模拟了各曲线表达式的传输路线图。
图2和图3是MATLAB的模拟路线图，从图形中可以看出曲线的弯曲程度和光滑程度。
由(3)式，利用MAPLE和MATLAB编程可以求出各曲线的弯曲损耗(dB)。
Fig.2 Simulation diagram by MATLABFig.3 Sine,cosine,nine-power functionTable 2 Bending loss bendfunctionfive⁃powersix⁃powerAsix⁃powerBseven⁃powereight⁃powereig ht⁃powerBnine⁃powersinecosinebendingloss/dB4．8694．7614．7614．75 54．6314．6314．5744．9074．665从损耗上看，9次幂函数的损耗为最低，明显比以往的正弦和余弦函数曲线的损耗降低了许多。
4 优化路线模拟本文中同时利用有限差分光束传播法(finite difference beam propagation method，FD-BPM),模拟了一个分支比较小的与现实社会应用广泛的1×4型Y分支光功分器的传输路线图，分析TE 模在Y分支中的传输特性,设波导宽度为6μm，入射波长λ=1.3μm，波导折射率为2.21，衬底折射率为2.20，参考折射率为2.2073。
从图4可知，峰的高低代表光传输的能量，光传输的每一个位置都比较均匀，光的能量分配的比较均匀。
Fig.4 The transmission line of 1×4 waveguide由图5可知(横坐标表示光信号输出的位置，单位nm；峰的高度代表光信号能量的相对强度)，输出的4个端口光能量的分布基本是均匀、均等的，两端的输出能量比内侧稍大(与Y分支光波导和光传播本身有关)，与其它Y分支光波导相比，有比较好的输出分配比，效果更好。
Fig.5 Energy distribution5 结论通过分析弯曲损耗、过渡损耗的根源，求解了一系列符合弯曲低损耗条件的高次幂函数表达式，取L=800μm，h=125um时求其各函数的弯曲损耗，9次幂函数的弯曲损耗可达4.57dB,与以往的正弦、余弦函数比较，损耗有了明显的降低，表明在高分支比(θ=2arctan(h/L)=17.77°)的弯曲路线下此表达式损耗低，最后设计了一个1×4 Y分支光波导，并通过FD-BPM模拟可以看出，传输性能优良、分配均匀，对以后Y分支光波导的制作有很好的指导意义。
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