用于中红外波段的光栅耦合器研究+文献综述(4)
外，由于没有额外的透镜，光栅耦合器基于的是平面结构，制造工艺与封装可以和
CMOS工艺完全兼容。因此，光栅耦合是一种更有潜力的光集成芯片I/O接口解决方
案。
图 1. 2 SOI波导与光纤的侧向耦合（a，c）与垂直耦合（b）[8, 14]
1.3 中红外波导与光纤
我们已经说明了研究 SOI 波导光栅耦合器的重要意义。值得注意的是，本论文选
择 4μm~5μm 中红外（mid-IR）波段作为器件的工作波长。中红外是一个对于光传感
有着重要意义的波段：基于中红外波导和光纤的光传感器具有固有的分子敏感性，因
而能进行环境分析、化学过程监控并应用于生物医学领域[15]
。然而，在此波段的硅光
子器件却研究甚少。因此，本论文对于促进硅光子器件在中红外传感中的应用具有重
要的价值，而且具有一定的独创性。
由于 4μm~5μm 波段材料的吸收损耗、折射率、色散、偏振等特性都与通信波段
1550nm 不太相同，本论文对于光栅耦合器的研究不能直接使用以前研究成果中的材
料参数。以下是对此波段 SOI 波导与光纤的材料特性的简要讨论（由于研究的是光栅
耦合器光场分布，这里主要关注材料的吸收损耗与材料色散）。
1.3.1 中红外波段 SOI 波导特性
SOI 波导的芯层材料是硅（这里只讨论单晶硅） ，在一个标准大气压和室温条件
下，硅的禁带宽度 Eg=1.12eV，因而其本征吸收的截止波长为 1.1μm，换句话说，硅
波导对于4μm~5μm光波段是透明的。进一步查阅手册[16]
可知，4μm~5μm处硅的消光
系数κ 约为 10-7
，因此吸收系数为4π / κλ ≈ 0.3m-1
，在散射损耗与辐射损耗都很小的
情况下，硅的总损耗约为 1.3dB/m，这对于光集成器件来说是可以忽略不计的。 此外，
有关资料[16-18]
表明，硅在这一波段的材料色散非常微弱，因此可以看作非色散介质，
其折射率约为 3.42。
SOI 波导的包层材料是二氧化硅（熔融石英），根据手册[18, 19]
，4μm~5μm波段材
料的折射率从 1.39 变化至 1.34 左右，鉴于本论文所选择的工作中心波长为 4.5μm，
SiO2 的折射率取为 1.37，一定程度上也可以将其当作无色散的介质。
1.3.2 中红外光纤
红外光纤指的是传输光辐射波长近似大于 2μm的光纤，可以根据材料的性质将其
分成三类：玻璃光纤（如氟化物光纤、硫族化合物光纤），多晶（如卤化银光纤）或
单晶光纤（如蓝宝石光纤）以及中空波导[20]
。然而，适用于本课题的光纤至少满足如
下性质：
(1) 对于4μm~5μm波段透明；
(2) 单模光纤，以适应波导的单偏振应用；
(3) 模场直径尽量小，以减少模斑失配程度；
(4) 纤芯折射率较小，避免耦合端面产生较大的反射。
经过一番比较并综合考虑以上四个因素，本论文选择了 IRphotonics 公司最近研
发并商用化的氟化铟光纤（Indium Fluoride Fiber）[21]
，该光纤的透射窗口在
0.4μm~5.5μm，且4μm~5μm波段的损耗小于0.5dB/m。 氟化铟单模光纤的芯径2a=17μm，
截止波长λc=3.78μm，因而满足 4μm~5μm波段单模应用的要求。根据经验公式[10]
1.5 6 0
可知，该光纤的模场直径 MFD≈21.4μm，大小适中。此外，由[22][23]给出的色散公
式可知，该光纤在 4μm~5μm 波段的折射率大约为 1.47，这与传统石英光纤的折射率
非常相近，给研究带来了方便。