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波导断开与菲涅尔反射

前几天一位朋友问我一个问题,光芯片版图里单根波导断开,形成两根波导。两根波导相隔了1纳米,会有什么影响?波导结构示意图如下,WG1与WG2之间相隔的距离为gap,

当时自己的想法是,一方面光波不能分辨1nm的间隔,另一方面掩模板mask的精度也是在1nm左右,结合这两方面的考虑,觉得应该对光的传播影响不大。

不能完全确定,就用FDTD仿真下看看结果如何。仿真的时候在1nm的gap处设置了精细的网格,如下图所示,

最终仿真结果和预期的稍有差别,

光场虽然可以传播到第二根波导中,但是传播图案呈现出驻波的现象,而不是直接沿着波导传播过去。仔细想了想,出现这一现象的原因是光场在Si/SiO2界面处存在菲涅尔反射,两个界面形成了一个FP腔,因而出现了驻波的现象。关于菲涅尔反射,这里再啰嗦两句,在学习Maxwell方程的时候,通过边界处的电磁场连续性条件,可以推导出界面处光场的变化,也就是透射和反射光各自的比例大小。当光场垂直入射时,反射系数为

对于硅波导,n1=3,48, n2=1.44, 对应的反射系数为0.18,反射光的比例不可忽略。菲涅尔反射也可以理解为两种不同材料对光场的阻抗不匹配。

这个case对自己的启发:一方面,在绘制版图的时候,必须检查仔细,避免波导断开的类似错误,包括波导断开,错位,宽度不匹配等,如下图所示。

另一方面,如果波导终点处没有与其他波导相连,需绘制成taper型波导,作为optical termination, 让光场散射进衬底中,而不是直接截断,避免端面处反射带来的影响,如下图所示,

以上是对波导断开问题的一点思考,见微知著,需要下功夫的地方还有很多。

文章中如果有任何错误和不严谨之处,还望大家不吝指出,欢迎大家留言讨论。

本文分享自微信公众号 - 光学小豆芽(photonwalker),作者:光学小豆芽

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原始发表时间:2018-07-25

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