一种T型硅基亚波长狭缝波导设计与特性分析
中北大学 山西省光电信息与仪器工程技术研究中心 王冠军 谭绪祥 王志斌
1 引言
近年来，硅基结构以其低廉的成本、优良的导波特性在光传导、全光信息处理等领域显示出了巨大的应用前景。但硅基波导传输光场主要集中在硅芯中，其导波特性受到衍射极限的制约。另外狭缝波导自2004年提出以来，就以其独特的导波形式和超强的光场限制能力引起了人们的广泛关注。硅基狭缝波导可以在纳米尺度的低折射率介质中实现光场的限制与传输，从根本上摆脱了衍射极限的束缚。同时，狭缝波导的概念也逐渐延伸到其他波导形式。2007年英国巴斯大学Wiederhecker等人在微结构光纤中引入了纳米级尺度的空气孔，并通过理论模拟及实验测量首次证明了光子晶体光纤中狭缝效应的存在。
目前文献中所报道的各类传统狭缝平板波导可以分成垂直狭缝和水平狭缝两种结构。这两种波导均只能在其自身的狭缝区域实现对一种偏振光（TE偏振或TM偏振）的较强模场约束，而对另一种偏振光的约束能力则相对较弱。如果要同时获得对两种偏振光的强模场限制，则需要引入新的狭缝结构和导光机制。
为了同时获得对两种偏振光的强模场限制，本文研究了一种新型的硅基狭缝波导结构。与传统的垂直狭缝或水平狭缝不同，该结构的狭缝区域呈T形结构。其本身同时具备横向和纵向的低折射率介质层，有望同时实现对TE和TM两种偏振模式的较强光场限制。
2 T形狭缝波导结构设计
本节中具体研究的T形狭缝波导结构如图1所示。该波导由一个传统硅板结构和位于其下方、与之紧邻的垂直介质狭缝结构共同组成，两结构之间的低折射率缓冲层连同水平狭缝中央的低折射率介质层形成了T字形的狭缝区域。图中，组成T形狭缝结构的垂直狭缝波导的硅板宽度和高度分别为w1和h1，狭缝区域的宽度则为ts。位于狭缝的SOI波导的硅层的宽度和高度分别为w2和h2，用于隔离两种结构的低折射率介质缓冲层的厚度为ts。此处假定T形狭缝波导中的高折射率和低折射率结构分别采用硅和二氧化硅材料。在实际加工中，可以利用化学气相沉积等方式完成对整个波导样品的制备。
