新型亚微米高度大纵横比玻璃光波导的光传输特性与制备技术研究

纳米尺度的光波导器件是当前的研究热点之一，对高集成度光子芯片制作至关重要。目前研究主要集中于微纳光纤和硅纳米线波导等高折射率差小尺寸波导结构。本项目提出一种新型可制备在硅衬底上的亚微米高度大纵横比光波导结构。波导尺寸在纵向上（波导高度）为亚微米量级从而具有弱束缚波导特性；而横向波导尺寸（波导宽度）则为微米量级，仍具有较强的光约束作用。该波导结构加工难度明显低于纳米线波导，其模场分布可与普通单模光纤匹配，有望成为低串扰高集成度微纳光子学器件新的器件构型。纵向上的弱束缚特性还可用于减小方向耦合器的耦合长度，制备高灵敏度倏逝波传感器件等。本项目将用课题组独创的DC-RTA溶胶-凝胶技术制备亚微米厚度大纵横比玻璃材料条波导；在此基础上对亚微米厚度大纵横比条波导的光传输特性开展理论和实验两方面的系统研究；并选择最佳波导结构和最优化的工艺条件，进一步制备出波导方向耦合器件和光波导倏逝波传感器件。

纳米尺度的光波导器件是当前的研究热点之一，对高集成度光子芯片制作至关重要，已有的研究主要集中于微纳光纤和硅纳米线波导等高折射率差小尺寸波导结构。本项目提出并实现了一种新型可制备在硅衬底上的亚微米高度大纵横比光波导结构，并对光传输特性开展理论和实验两方面的系统研究。波导采用课题组独创的DC-RTA溶胶-凝胶法制备，制成的波导厚度精确可控且厚度变化范围宽，传输损耗小。厚度控制精度可达10 nm，制备的多层膜最大厚度达14微米。通过采用不同比例的SiO2/ZrO2，折射率可在1.40-1.82范围内调节。该技术也被用于其他波导器件、光纤器件和微腔器件等制备上，为多种光子学器件的制备提供了技术保障和工艺基础。通过本项目，系统地研究了该波导的光场分布、耦合损耗、弯曲损耗及偏振特性等和光波导结构的关系，发现由于该波导在纵向上具有弱束缚波导特性，选择合适的光波导结构可获得和商用光纤相类似的光场分布，与光纤耦合时耦合损耗很低，实验测得的耦合损耗为0.5 dB。其不同偏振（TE和TM）光传输特性的差异也很小。在此基础上，根据弱束缚波导的特性，模拟并研制了光波导倏逝波传感器件和波导方向耦合器件，其中Mach-Zehnder干涉型光波导传感器件的相位灵敏度值为 1.75×10^4(2pi)，对应的波导传感灵敏度最大值为0.474。在国内外期刊上发表文章9篇，其中8篇为SCI期刊；在国内外会议上报告9次，包括邀请报告；培养博士生、硕士生近10名。