光波导覆层热膨胀系数对应力双折射影响分析.doc

光波导覆层热膨胀系数对应力双折射影响的分析()文章编号:025322239203光波导覆层热膨胀系数对应力双折射影响的分析1,211吕吕金永兴俊翔1浙江大学光电系,光及电磁波中心,杭州3100272中国计量学院激光技术研究所,杭州310034摘要:用有限元方法计算了硅基光波导器件的应力,得到由应力引起的双折射,从理论上分析了内应力对器件偏振特性的影响。得出结论:硅基与其它层材料热膨胀系数的不同,是引起芯区双折射的主要因素,通过掺杂、调整覆层的热膨胀系数,可以得到双折射系数较小的光波导。关键词:导波光学;应力;双折射;平面光波导中图分类号:TN814文献标识码:A截面图,有四层组成:硅基底、缓冲层、芯层和覆层。1引言取z轴为传播方向,y轴与硅基底面垂直,x轴为水:硅基底器件的插硅基平面光波导有许多优点μμ平方向,芯层的尺寸为6m×6m。1入损耗较低,与光纤耦合效率高等。但一个主要存在问题是应力双折射现象,这主要是由硅基底和二氧化硅的热膨胀系数相差很大,在退火冷却过程中存在内应力而引起的,而且其对波导的偏振特性影响较大,是在实际应用中必须要解决的问题。在(阵列波导光栅Arrayedwaveguidegrating,简称)为AWG器件中,提出了许多偏振补偿的方法,如在2阵列波导光栅中部插入一个半波片;相邻衍射级3的匹配,使TE和TM模分别用不同的衍射级;采4用应力槽等方式。,来分析一下材料的热膨胀系数与偏振之间的关系。对于各向同性材料,若光波导横向受压,其正交[5,6]方向x、y方向的折射率变化为σ(σσ)Δ==-B-B+,n-nn2x1yzxxΔnyσ(σσ)=-B-B+.=n-n2y1xzy2基本理论在纯二氧化硅中,光弹系数:3在硅基材料上生长二氧化硅,由于硅和二氧化(μ)B=1+nP/2E,B111硅两种材料的热膨胀系数差别很大,光波导沿正交3(μ)=1+nP/2E,212方向的应力不相等,由光弹效应引起的该两方向的则应力引起的正交方向折射率变化差为折射率不相等,从而形成快轴和慢轴,双折射现象会ΔΔΔ)(σσ)()(n=n-n=B-B-1,xy12xy对光波导带来许多不利的影响,在器件中存在偏振μ式中n为材料的折射率,E为杨氏模量,为泊松色散和偏振噪声等,所以需要对芯层中心应力分布σσσ比,、和为分别为横向x、y和z方向的应力,P进行模拟计算,分析如何能减小芯区应力双折射。xyz11和P为材料的应变弹性系数。12图1是我们模拟的典型硅基二氧化硅光波导的[7]表1是计算波导应力中所用到的参量,其中覆层的热膨胀系数是一个变量,同时我们取温度的变化量为1000?,也就是退火到室温时温度变化1000?,二氧化硅的应变弹性系数P和P取值分1112E2mail:******@。收稿日期:2002203206;收到修改稿日期:2002204216Table1Mechanicalpropertiesofthewaveguide折射率差,从图4中可以得到,折射率差为零时,覆-6-1-6-1Thermalexpansion/××10K之Youngmodulus/MaterialPoissonratio-6(