通道型波导：光电行业的关键组件
发布时间：2023-11-10 10:32:39 阅读数： 6
通道型波导，也称为条带波导，是一种沿着某些固体透明介质表面运行的通道形状的波导。它们不同于平面波导，因为它们不仅在一个维度上，而且在两个维度上提供光的引导，与光纤类似，只是通道型波导通常是刚性的，即它们不能弯曲。然而，它们不一定是直的，也可以定义一个曲线路径。
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通道型波导的结构与特点
通道型波导通常位于设备的表面，垂直光引导受到波导材料与空气之间的高折射率对比的影响。由于波导模式的不对称性和对表面不规则性的高敏感性，可能会出现某些缺点，这些不规则性可能会导致由于光散射而产生高传播损耗。因此，有时通过在波导上覆盖一种附加材料来实现埋藏波导（或嵌入式波导），这种材料通常与基底具有相似的折射率。
通道型波导通常被设计为在预期操作波长下只支持单一的引导模式，就像单模光纤一样。
通道型波导的制造方法
通道型波导可以在不同种类的材料上制造，不同材料使用的制造方法也可能大不相同。
半导体中的波导
在半导体的情况下，通常使用外延技术结合掩模来生成波导结构，例如在各种类型的激光二极管和半导体光放大器（SOAs）中。通常，这些波导具有相对较高的数值孔径。它们通常被一个电极覆盖，用于将电流注入激光二极管或放大器的活性区域。
介质材料中的波导
通道型波导可以在各种介质（绝缘体）材料中制造，无论是在晶体还是非晶体材料中，例如在二氧化硅和非线性晶体材料如铌酸锂和钽酸锂中。有许多不同的制造技术可用于此类目的，例如：
- 可以应用离子交换技术。在这里，基底表面的一条带状区域暴露在某种液体中一段时间，基底中的某些离子被暴露带表面下方区域中的其他离子所取代。结果是，折射率增加，允许该区域引导光。
- 另一种可能性是在基底上沉积一条金属带（例如钛），然后对整个设备应用高温处理几个小时甚至几天。这样可以获得金属到介质中的一定程度的扩散，也会导致折射率增加。
波导属性
以下波导属性对于应用来说特别重要：
- 引导波导模式的横向形状和尺寸在各个方面都很重要。例如，这决定了有效地将光引入波导所需的光束轮廓。此外，有效模式面积对于波导中任何非线性相互作用的强度也很重要。
- 波导对弯曲损耗的敏感程度在很大程度上取决于数值孔径（因此取决于折射率对比）。例如，可以在硅和其他半导体上制造出对弯曲具有非常高容忍度的波导，弯曲半径远远小于1毫米，这对于光子集成电路非常重要。
- 传播损耗随着折射率对比的增加而增加。然而，在波导较短的设备中，通常可以容忍相对较高的传播损耗（例如>1 dB/mm）。
- 对于某些应用来说，能够影响波导中的光传播是必不可少的，例如，应用电场对辐射进行调制，或电流以在半导体中获得增益。
通道型波导的应用
以下是一些通道型波导的典型应用：
- 光子集成电路包含通道型波导，就像电子集成电路包含微小的电线一样。波导将光输入、各种组件和光输出连接在一起。这些电路用于光纤通信中的信号处理。
- 在活性半导体设备中，如激光二极管、半导体光放大器和电吸收调制器，通道型波导将光限制在一个小的横截面内，暴露于激光增益或调制影响。
- 可以使用掺杂稀土离子或过渡金属离子的波导制造其他类型的波导激光器和放大器。由于模式面积较小，可以制造出激光阈值功率非常低的激光器。
- 非线性晶体材料中的波导允许进行非线性频率转换（例如频率倍增或光学参量振荡）或电光调制。
- 有些光学传感器，活动传感器元件是通道型波导，其顶表面暴露于外部影响。例如，一个蒸发光场可能穿透波导上方的液体，因此引导的光可以与液体中的化学物质相互作用。然后可以应用激光吸收光谱学来识别化学物种和测量它们的浓度。