多模干涉型B270－As2S8复合光波导的优化设计＊

李家，陈抱雪，周建忠

（上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093）

引 言

结合了光信息处理技术和神经网络技术的光学脉冲耦合神经网络系统，具备很强的抗干扰能力，同时具有实现大规模并行运算等优点［1－3］。在利用光阻断效应控制的脉冲耦合神经元中，光波导的导模传输特性及其光阻断效果都直接地影响着神经元的动作特性［4－5］。采用德国SCHOTT公司的B270玻璃制备的离子交换条波导具有成本低廉，传输损耗低且易于和单模光纤阵列对接耦合的特点［6］。此外，利用As2S8材料的次能级电子跃迁对光信号的吸收，可以在光光作用下产生光阻断效应［7］。尽管可以采用光折变技术制备As2S8条波导，但制备工艺复杂，波导传输损耗较大，端面难以研磨且与光纤的对接耦合比较困难［8－11］。现将两种材料及其制备技术结合起来，可以设计出一种既能实现良好的波导传输特性，又可以实现光阻断效应的复合光波导结构。

本文提出的这种多模干涉型B270－As2S8复合条波导结构，是由Ag＋－Na＋离子交换B270玻璃截止模波导上覆盖一层As2S8薄膜构成的。As2S8薄膜厚度与离子交换波导参数的匹配设计，可以实现632.8nm导模模场集中分布在As2S8薄膜中多模传输，复合条波导的两端与632.8nm波长的B270离子交换单模波导通过楔形过渡耦合，这个特点为为单模传输和光阻断效应的有效实现提供了良好的条件。光束传播方法（beam propagation method，BPM）仿真表明，该复合条波导结构的插入损耗为0.6dB。

1 基本原理

复合波导的基板是B270玻璃，采用选择性Ag＋－Na＋离子交换技术在B270玻璃表面下预先形成渐变折射率条状波导，采用两次离子交换技术以及控制各次离子交换的时间，使得该渐变波导的输入端和输出端对632.8nm波长形成单模传输，中间部分对632.8nm波长是截止的。在该截止模波导上涂覆一层高折射率的As2S8薄膜，形成复合波导。控制As2S8薄膜的膜厚可使632.8nm基模从单模输入波导以较高的耦合效率激发复合波导的多模传输，多模传输形成的干涉场的场分布主要集中在As2S8薄膜中。干涉场沿光的传播方向呈现周期性的分布变化，输入场的像可以重复多次再现，遵循自映像原理。在任一个输入场的自映像位置接入输出单模波导，根据光波的互易原理，多模干涉波被耦合成单模输出波导的基模。由于复合波导的As2S8薄膜中集中了光波电磁场，可以有效激发632.8nm波长在As2S8薄膜中的光阻断效应，实现对光波信号的调制。

设输入波导的基模在z＝0处激发复合波导的多模式导模，根据模式耦合理论，基模输入场Ψ（x，y，0）可以写成复合波导m个导模和所有辐射模的线性叠加：

式中Ψν（x，y，0）是复合波导的ν阶导模的光场分布，Cν为振幅耦合系数，ξ为辐射模，由模式正交性得到：

复合波导中被激发的m个导模的振幅大小由Cν来加权，输入端辐射模发生消散构成耦合损耗。由于各阶导模的传播常数不同，传输过程伴有多模干涉叠加，叠加场随传输距离发生周期性变化，设一个周期的长度是L，若复合波导的长度为L的整数倍，在复合波导出射端的多模干涉叠加场是复合波导输入场的镜像：

此处，与输入端对称地接入单模输出波导，根据模式耦合的互易性，单模输出波导中被激发的基模Ψ（x，y，nL）可以写成：

于是复合波导的插入损耗的大小由输入端辐射模和输出端辐射模之和决定。根据上述原理，设计的关键有两个，一个是减小输入端和输出端的辐射模损耗，另一个是多模干涉叠加场要尽量分布在As2S8薄膜中。

2 波导设计和仿真结果

2.1 B270玻璃离子交换单模条波导的设计

特性调查采用三维BPM仿真手段，波导参数设定参考了离子交换条波导制备的实验参数。基板是SCHOTT公司的B270玻璃，离子源是0.1%AgNO3－99.9%NaNO3混合盐，Ag＋离子的摩尔比为0.039 8%。理论和实验都表明，Ag＋离子的摩尔比小于0.05%时，扩散系数可以等效为一个常数Deff，折射率分布具有余误差函数的特征［6］。离子交换在350℃氛围中进行，波导的折射率分布可以写成：

这里，ns和nc分别是玻璃基板和上包层的折射率，t是离子交换时间，UA（x，y；t）是Ag＋离子的归一化浓度：

2.2 复合波导的设计

复合波导结构示于图1，图1（a）和（b）互为对方的中心剖面图，在B270玻璃衬底上，采用选择性二次离子交换技术制备厚度变化的折射率渐变条波导，其中过渡区域通过侧向扩散自然形成，其长度与离子交换温度和时间有关，约为1μm。输入和输出两端的波导取上节得到的632.8nm单模条波导，为了达到多模干涉叠加场能量更多的分布在As2S8薄膜中的目的，中间较薄的条波导对632.8nm波长截止，截止波导除了离子交换时间缩短至20min以外，其它参数与输入和输出波导的相同，截止波导的有效扩散深度deff＝1.40μm。在截止波导两侧开窗制备金属Al模，然后覆盖一层As2S8薄膜，构成B270－As2S8离子交换复合多模波导。由于金属模的隔离作用，Al模上的As2S8薄膜对导波不作用。632.8nm入射光在输入波导中激励基模传输，在复合波导的入射端激发多模，经1.6μm长度的过渡区域的模式相位调节，光波被耦合到复合波导区域，且光场分布主要集中在As2S8薄膜中传输。复合波导由于在的耦合处发生了折射率分布的突变，辐射模的激发是在所难免的。输入端耦合效率η与As2S8薄膜的厚度h有关，通过BPM仿真优化，得出图2所示的结果，膜厚h在1.96～2.08μm范围内均可以获得较高的耦合效率，这为复合波导的制备提供了大于0.1μm的膜厚允差。复合波导长度被设计成输入场的镜像距离2.8mm，由于光路结构对称，根据互易原理，光波通过复合波导后被耦合到输出波导出射。

图1 B270－As2S8复合波导结构Fig.1 The structure of B270－As2S8waveguide

上述波导结构的导波效果采用3维BPM仿真运行来验证，图3是仿真传输结果。输入端耦合效率用复合波导区域的光功率与输入光功率的比值来表征，达到

图2 耦合效率η与As2S8膜厚h的关联性Fig.2 Relevance between coupling efficiencyη and As2S8film thickness h

上述波导结构的导波效果采用3维BPM仿真运行来验证，图3是仿真传输结果。输入端耦合效率用复合波导区域的光功率与输入光功率的比值来表征，达到94.53%。插入损耗用单模输入波导的输入光功率和单模输出波导的输出光功率的比值的分贝形式表征，约为0.6dB。另外，从图3可以看出，复合波导中的光场大部集中在As2S8薄膜中传输，十分有利于光阻断效应的实施。

图3 复合波导的BPM仿真传输结果Fig.3 BPM simulation of composite waveguide

3 小 结

提出并设计了一种新型的用于光阻断效应的B270－As2S8多模干涉复合光波导，与复合波导衔接的输入和输出波导采用了同基集成的Ag＋－Na＋离子交换B270玻璃单模条波导。3维BPM仿真运行结果表明，该复合波导的端接耦合效率达到94.53%，复合波导的插入损耗约为0.6dB。复合波导中的光场大部集中在As2S8薄膜中传输，十分有利于光阻断效应的有效实施。

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