多模干涉型B270－As2S8復合光波導的優化設計＊

李家，陳抱雪，周建忠

（上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093）

引 言

結合了光信息處理技術和神經網絡技術的光學脈沖耦合神經網絡系統，具備很強的抗干擾能力，同時具有實現大規模并行運算等優點［1－3］。在利用光阻斷效應控制的脈沖耦合神經元中，光波導的導模傳輸特性及其光阻斷效果都直接地影響著神經元的動作特性［4－5］。采用德國SCHOTT公司的B270玻璃制備的離子交換條波導具有成本低廉，傳輸損耗低且易于和單模光纖陣列對接耦合的特點［6］。此外，利用As2S8材料的次能級電子躍遷對光信號的吸收，可以在光光作用下產生光阻斷效應［7］。盡管可以采用光折變技術制備As2S8條波導，但制備工藝復雜，波導傳輸損耗較大，端面難以研磨且與光纖的對接耦合比較困難［8－11］?，F將兩種材料及其制備技術結合起來，可以設計出一種既能實現良好的波導傳輸特性，又可以實現光阻斷效應的復合光波導結構。

本文提出的這種多模干涉型B270－As2S8復合條波導結構，是由Ag＋－Na＋離子交換B270玻璃截止模波導上覆蓋一層As2S8薄膜構成的。As2S8薄膜厚度與離子交換波導參數的匹配設計，可以實現632.8nm導模模場集中分布在As2S8薄膜中多模傳輸，復合條波導的兩端與632.8nm波長的B270離子交換單模波導通過楔形過渡耦合，這個特點為為單模傳輸和光阻斷效應的有效實現提供了良好的條件。光束傳播方法（beam propagation method，BPM）仿真表明，該復合條波導結構的插入損耗為0.6dB。

1 基本原理

復合波導的基板是B270玻璃，采用選擇性Ag＋－Na＋離子交換技術在B270玻璃表面下預先形成漸變折射率條狀波導，采用兩次離子交換技術以及控制各次離子交換的時間，使得該漸變波導的輸入端和輸出端對632.8nm波長形成單模傳輸，中間部分對632.8nm波長是截止的。在該截止模波導上涂覆一層高折射率的As2S8薄膜，形成復合波導?？刂艫s2S8薄膜的膜厚可使632.8nm基模從單模輸入波導以較高的耦合效率激發復合波導的多模傳輸，多模傳輸形成的干涉場的場分布主要集中在As2S8薄膜中。干涉場沿光的傳播方向呈現周期性的分布變化，輸入場的像可以重復多次再現，遵循自映像原理。在任一個輸入場的自映像位置接入輸出單模波導，根據光波的互易原理，多模干涉波被耦合成單模輸出波導的基模。由于復合波導的As2S8薄膜中集中了光波電磁場，可以有效激發632.8nm波長在As2S8薄膜中的光阻斷效應，實現對光波信號的調制。

設輸入波導的基模在z＝0處激發復合波導的多模式導模，根據模式耦合理論，基模輸入場Ψ（x，y，0）可以寫成復合波導m個導模和所有輻射模的線性疊加：

式中Ψν（x，y，0）是復合波導的ν階導模的光場分布，Cν為振幅耦合系數，ξ為輻射模，由模式正交性得到：

復合波導中被激發的m個導模的振幅大小由Cν來加權，輸入端輻射模發生消散構成耦合損耗。由于各階導模的傳播常數不同，傳輸過程伴有多模干涉疊加，疊加場隨傳輸距離發生周期性變化，設一個周期的長度是L，若復合波導的長度為L的整數倍，在復合波導出射端的多模干涉疊加場是復合波導輸入場的鏡像：

此處，與輸入端對稱地接入單模輸出波導，根據模式耦合的互易性，單模輸出波導中被激發的基模Ψ（x，y，nL）可以寫成：

于是復合波導的插入損耗的大小由輸入端輻射模和輸出端輻射模之和決定。根據上述原理，設計的關鍵有兩個，一個是減小輸入端和輸出端的輻射模損耗，另一個是多模干涉疊加場要盡量分布在As2S8薄膜中。

2 波導設計和仿真結果

2.1 B270玻璃離子交換單模條波導的設計

特性調查采用三維BPM仿真手段，波導參數設定參考了離子交換條波導制備的實驗參數?；迨荢CHOTT公司的B270玻璃，離子源是0.1%AgNO3－99.9%NaNO3混合鹽，Ag＋離子的摩爾比為0.039 8%。理論和實驗都表明，Ag＋離子的摩爾比小于0.05%時，擴散系數可以等效為一個常數Deff，折射率分布具有余誤差函數的特征［6］。離子交換在350℃氛圍中進行，波導的折射率分布可以寫成：

這里，ns和nc分別是玻璃基板和上包層的折射率，t是離子交換時間，UA（x，y；t）是Ag＋離子的歸一化濃度：

2.2 復合波導的設計

復合波導結構示于圖1，圖1（a）和（b）互為對方的中心剖面圖，在B270玻璃襯底上，采用選擇性二次離子交換技術制備厚度變化的折射率漸變條波導，其中過渡區域通過側向擴散自然形成，其長度與離子交換溫度和時間有關，約為1μm。輸入和輸出兩端的波導取上節得到的632.8nm單模條波導，為了達到多模干涉疊加場能量更多的分布在As2S8薄膜中的目的，中間較薄的條波導對632.8nm波長截止，截止波導除了離子交換時間縮短至20min以外，其它參數與輸入和輸出波導的相同，截止波導的有效擴散深度deff＝1.40μm。在截止波導兩側開窗制備金屬Al模，然后覆蓋一層As2S8薄膜，構成B270－As2S8離子交換復合多模波導。由于金屬模的隔離作用，Al模上的As2S8薄膜對導波不作用。632.8nm入射光在輸入波導中激勵基模傳輸，在復合波導的入射端激發多模，經1.6μm長度的過渡區域的模式相位調節，光波被耦合到復合波導區域，且光場分布主要集中在As2S8薄膜中傳輸。復合波導由于在的耦合處發生了折射率分布的突變，輻射模的激發是在所難免的。輸入端耦合效率η與As2S8薄膜的厚度h有關，通過BPM仿真優化，得出圖2所示的結果，膜厚h在1.96～2.08μm范圍內均可以獲得較高的耦合效率，這為復合波導的制備提供了大于0.1μm的膜厚允差。復合波導長度被設計成輸入場的鏡像距離2.8mm，由于光路結構對稱，根據互易原理，光波通過復合波導后被耦合到輸出波導出射。

圖1 B270－As2S8復合波導結構Fig.1 The structure of B270－As2S8waveguide

上述波導結構的導波效果采用3維BPM仿真運行來驗證，圖3是仿真傳輸結果。輸入端耦合效率用復合波導區域的光功率與輸入光功率的比值來表征，達到

圖2 耦合效率η與As2S8膜厚h的關聯性Fig.2 Relevance between coupling efficiencyη and As2S8film thickness h

上述波導結構的導波效果采用3維BPM仿真運行來驗證，圖3是仿真傳輸結果。輸入端耦合效率用復合波導區域的光功率與輸入光功率的比值來表征，達到94.53%。插入損耗用單模輸入波導的輸入光功率和單模輸出波導的輸出光功率的比值的分貝形式表征，約為0.6dB。另外，從圖3可以看出，復合波導中的光場大部集中在As2S8薄膜中傳輸，十分有利于光阻斷效應的實施。

圖3 復合波導的BPM仿真傳輸結果Fig.3 BPM simulation of composite waveguide

3 小 結

提出并設計了一種新型的用于光阻斷效應的B270－As2S8多模干涉復合光波導，與復合波導銜接的輸入和輸出波導采用了同基集成的Ag＋－Na＋離子交換B270玻璃單模條波導。3維BPM仿真運行結果表明，該復合波導的端接耦合效率達到94.53%，復合波導的插入損耗約為0.6dB。復合波導中的光場大部集中在As2S8薄膜中傳輸，十分有利于光阻斷效應的有效實施。

［1］ CAULFIELD H J，KINSER J，ROGERS S K，etal.Optical neural networks［J］.IEEE，1989，77（10）：1573－1583.

［2］ GUPTA N，SIMONIS G J，PHAM J，etal.Fabrication of an optoelectronic AlGaAs／GaAs waveguide neuron［J］.IEEE，1993，5（2）：175－177.

［3］ CASASENT D P，CHAO T H.All－optical pulse generators for pulse－coupled neurons［J］.SPIE，1999，3715：46－52.

［4］ 王關德，陳抱雪.As2S8波導光阻斷效應回復過程機理［J］.光電工程，2011，38（7）：13－16.

［5］ 王關德，陳抱雪，濱中廣見，等.非晶態 As2S8薄膜波導光阻斷效應切斷過程研究［J］.光學學報，2011，31（12）：151－155.

［6］ 王悠悠，陳抱雪，鄒任玲，等.離子交換單模條波導的折射率分布控制與制備［J］.光學儀器，2010，32（2）：70－75.

［7］ 梁東波，濱中廣見，陳抱雪.As2S8非晶態薄膜波導光學截至效應研究［J］.光電子技術與信息，2001，14（5）：25－28.

［8］ 鄒林兒，陳抱雪，陳 林，等.As2S8玻璃條形波導的光激勵法制備技術研究［J］.光學學報，2006，26（7）：1043－1047.

［9］ 鄒林兒，陳抱雪，陳 林，等.光折變法制備的 As2S8條形波導的光阻斷效應［J］.物理光學，2006，55（4）：1868－1872.

［10］ 鄒林兒，陳抱雪，陳 林，等.非晶態 As2S8半導體薄膜的光激勵現象的研究及應用［J］.光學技術，2007，33（1）：44－47.

［11］ 鄒林兒，陳抱雪，杜麗萍，等.非晶態 As2S8半導體薄膜的光致結構變化效應研究［J］.光子學報，2008，37（5）：1002－1004.