光波導(dǎo)應(yīng)力雙折射研究.pdf

1、本文推導(dǎo)了各向異性介質(zhì)中的半矢量波動(dòng)方程，詳細(xì)推導(dǎo)了采用非均勻有限差分方法求解半矢量波動(dòng)方程的差分格式和步驟。對(duì)于采用有限元方法來求解波導(dǎo)本征值問題也作了簡(jiǎn)單介紹。 本文對(duì)于三類光波導(dǎo)中的應(yīng)力雙折射作了深入而細(xì)致的研究工作，這三類光波導(dǎo)包括硅基二氧化硅光波導(dǎo)，SOI光波導(dǎo)，以及最近興起的納米尺寸硅波導(dǎo)。應(yīng)力雙折射的研究困難之處首先在于應(yīng)力計(jì)算模型的建立，最初研究人員采用了普通平面應(yīng)變模型，認(rèn)為沿波導(dǎo)方向的應(yīng)變?yōu)?，這種模型與實(shí)際

2、情況有些差距；最近提出的標(biāo)準(zhǔn)平面應(yīng)變模型改進(jìn)了這一缺陷，使得計(jì)算結(jié)果更接近實(shí)際情況。本文對(duì)這兩種模型都有論述，同時(shí)比較了兩種模型的計(jì)算結(jié)果，分析了采用普通平面應(yīng)變模型對(duì)計(jì)算結(jié)果帶來的影響，結(jié)果表明兩種模型對(duì)于雙折射的計(jì)算是相近的，但是普通平面應(yīng)變模型在計(jì)算不同方向的折射率變化是有偏差的。本文還首次在光波導(dǎo)應(yīng)力計(jì)算模型中引入了子模型方法來減小計(jì)算量，這種方法能夠使感興趣區(qū)域的計(jì)算結(jié)果更為精確，并能在保證精度的情況下縮短計(jì)算時(shí)間。采用有限元

3、方法計(jì)算的應(yīng)力雙折射與近似解析解計(jì)算結(jié)果是相近的，這也證實(shí)了近似解析解的有效性。 硅基二氧化硅光波導(dǎo)中的應(yīng)力雙折射的數(shù)量級(jí)大致在10-4，芯層尺寸對(duì)應(yīng)力雙折射的影響較小。采用調(diào)整上包層熱膨脹系數(shù)與襯底的熱膨脹系數(shù)相近的方法能夠有效減小光波導(dǎo)中的應(yīng)力雙折射，計(jì)算結(jié)果表明應(yīng)力雙折射被降低到10擊的水平；調(diào)整下包層熱膨脹系數(shù)的方法不能實(shí)現(xiàn)消除應(yīng)力雙折射；另一種消除應(yīng)力雙折射的方法是刻蝕應(yīng)力釋放槽，結(jié)果表明在槽深達(dá)到下包層一定深度時(shí)，光

4、波導(dǎo)的應(yīng)力雙折射基本消失，而槽寬對(duì)于應(yīng)力雙折射基本沒有影響。波導(dǎo)間距對(duì)應(yīng)力雙折射的影響隨著間距的增大迅速減弱，計(jì)算結(jié)果表明在波導(dǎo)間距為波導(dǎo)寬度的三倍以上時(shí)，相鄰波導(dǎo)之間的應(yīng)力影響已經(jīng)可以忽略，波導(dǎo)內(nèi)的應(yīng)力分布與僅有一根波導(dǎo)存在的情況可以視為相同。 SOI光波導(dǎo)的應(yīng)力雙折射處于10-3數(shù)量級(jí)，比上述的硅基二氧化硅光波導(dǎo)的應(yīng)力雙折射要高1個(gè)數(shù)量級(jí)，這表明SOI光波導(dǎo)中的應(yīng)力雙折射是非常大的，而計(jì)算結(jié)果表明SOI光波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)雙折射也基