《从零入门硅光波导基础与光栅原理》
第4章 平板波导结构详解
平板波导（Slab Waveguide）是集成光路中最基础的一维光约束结构。它由三层介质构成：芯层（core）、包层（cladding）和衬底（substrate）。光被限制在折射率最高的芯层中传播，依靠上下界面处的全内反射实现导波。
1. 芯层 (Core) —— 光的“高速公路”
芯层是波导的核心，通常由高折射率材料制成（如硅 Si ~3.48，氮化硅 Si₃N₄ ~2.0，或聚合物）。它的厚度决定了波导支持的模式数量：芯层越厚，支持的模式越多。在硅光电子学中，典型的 SOI（Silicon-on-Insulator）平板波导芯层厚度为 220 nm 或 340 nm，用于单模传输。
芯层承担光能量的主要传输。光场在芯层内振荡，并有一部分以倏逝波形式延伸到包层和衬底中。芯层的折射率 n₁ 必须大于包层 n₂ 和衬底 n₃，才能满足全内反射条件。
2. 包层 (Cladding) —— 上光约束与保护
包层覆盖在芯层上方，通常为低折射率介质（如 SiO₂ ~1.45，空气 ~1.0，或聚合物）。它的主要作用是：
- 提供上界面全内反射：芯层与包层界面形成反射边界，将光限制在芯层内。
- 保护芯层：避免芯层直接暴露于污染、氧化或机械损伤。
- 调节倏逝场：包层折射率影响倏逝波的衰减长度，对耦合器、光栅等器件设计至关重要。
在标准 SOI 波导中，上包层常为二氧化硅（SiO₂）或空气（如未覆盖）。
3. 衬底 (Substrate) —— 机械支撑与下光约束
衬底是波导的最底层，通常为较厚的低折射率材料（如硅衬底上生长 SiO₂ 埋氧层）。在 SOI 晶圆中，衬底为硅（Si），但埋氧层（BOX, Buried Oxide）作为下包层，折射率约 1.45，远低于硅芯层。衬底的作用包括：
- 提供下界面全内反射：芯层与下包层/衬底界面构成下反射边界。
- 机械支撑：保证波导结构的整体强度与晶圆可操作性。
- 热/电管理：硅衬底具有良好的导热性，可辅助散热；也可用于电学调制。
4. 三层结构的折射率条件
要实现有效的导波，必须满足：n₁ > n₂ 且 n₁ > n₃。通常 n₂ 与 n₃ 可以相等（对称波导）或不等（非对称波导）。下表总结了典型材料组合：
| 波导类型 | 芯层 (n₁) | 包层 (n₂) | 衬底 (n₃) |
|---|---|---|---|
| SOI 平板波导 | Si (3.48) | SiO₂ (1.45) / 空气 | Si (3.48) + BOX (1.45) |
| 氮化硅波导 | Si₃N₄ (2.0) | SiO₂ (1.45) | SiO₂ (1.45) 或 Si |
| 聚合物波导 | 聚合物 (1.5–1.7) | 低聚物 (1.4–1.5) | 玻璃/硅 |
注意：在 SOI 中，衬底硅本身折射率很高，但埋氧层（BOX）作为下包层，使得实际导波条件仍满足 n₁ (Si) > n₂ (SiO₂)。
5. 倏逝场与三层相互作用
光在芯层中传播时，部分能量会以倏逝波（evanescent wave）的形式渗透到包层和衬底中。倏逝场的衰减深度取决于折射率差和入射角。这一特性在以下场景中尤为重要：
- 光栅耦合器：利用倏逝场与光栅周期结构相互作用，将光从波导耦合到光纤。
- 定向耦合器：两个相邻波导的倏逝场重叠，实现光功率交换。
- 微环谐振器：倏逝场耦合进入环波导。
在硅光芯片中，芯层厚度和包层材料的选择直接影响模式分布、有效折射率以及损耗。例如，220 nm 厚的硅芯层在 1550 nm 波长下仅支持基模，而更厚的芯层（如 500 nm）会引入高阶模。
6. 对称 vs 非对称平板波导
当包层与衬底折射率相同时（n₂ = n₃），称为对称波导；否则为非对称波导。对称波导的模式场分布对称，截止条件更宽松；非对称波导（如 SOI 空气上包层 + SiO₂ 下包层）的模式场偏向折射率较高的一侧，对设计光栅耦合器有利。