金属包覆垫介质波导集成光学器件

金属包覆垫的介质波导是集成光学器件的关键组成部分,因而受到关注。由于大多数金属(如Au、Ag、Al)在光频范围内的介电常数为复数,且其实部往往是较大的负数,因而给确定导模的模折射率和模场分布增加了困难。通常的分析方案是首先忽略金属介电常数的虚部,求解仅保留实部的模式本征方程,然后将求得的实部代入复数方程中采用多次迭代法求解复数的超越模式本征方程。这种方案虽然能够获得准解析解,但是后续的数值处理步骤仍然较复杂,其弱点是仅适用于一维平板波导。对于实际应用的光波导如LiNbO3基底上Ti扩散波导和质子交换光波导,Si基底上的脊形波导及具有渐变折射率分布的二维波导等,用其分析将会产生较大的误差。因此,确定金属包覆垫波导结构中导模的模折射率和模场分布仍然是急需解决的关键课题。采用近几年发展起来的有限元法(FEM)求解光波导的模折射率和模场分布,与传统的准解析法和缺乏变分的有限差分法相比具有更高的精度和更强的数值稳定性,能够用来计算具有任意折射率截面分布的光波导,而且能够同时求解波导中的所有模式采用有限元法(FEM)分析了具有复数折射率的金属包覆垫介质波导的模折射率与模场分布情况。计算了具有损耗层的6层介质平板波导模折射率,并与解析解比较,二者有较好的一致性;分析了金属包覆垫3层平板波导中TM模折射率与波导芯层厚度的变化关系;计算了金属包覆垫5层平板波导中TM模折射率与金属层厚度的变化关系。