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条形波导与脊形波导

Posted on 2026-01-312026-01-31 by 李, 东霏
在介绍“Intel 的硅光偏振分集接收方案”时,文章里提到了两种常见的波导类型:条形波导和脊形波导。
 
 
 
条形波导与脊形波导

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条形波导指光波导芯层(如Si、SiN、InP)被低折射率包层(如SiO₂)从上、下、左、右四个方向完全包围的结构。通常通过刻蚀掉芯层周围所有材料形成。
 
 
 
条形波导与脊形波导

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脊形波导则采用部分刻蚀,形成一个凸起的“脊”,下方连着未刻蚀的“板层”。板层的存在使部分光场能量分布在垂直方向,减少了与刻蚀侧壁的重叠,从而降低散射损耗。
 
 
 
条形波导与脊形波导

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不过,由于脊形波导的截面不对称,在设计光斑转换器时确实会更复杂,常常需要依赖三维锥形结构才能实现波导与光纤的高效耦合。
 
但值得注意的是,也正是这种带有板层的低损耗结构,使脊形波导在模式操控方面具有优势,例如能够实现从 TM₀ 到 TE₁ 模式的高效转换。
 
 
 
条形波导与脊形波导
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另外,脊形结构便于制作横向PN结,因为P型和N型掺杂区可以方便地制作在脊的两侧,结区位于光模中心。该结构广泛应用于基于载流子耗尽效应的硅基高速电光调制器,如成微环调制器(MRM)。
 
 
 
条形波导与脊形波导
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上图方案中的脊形波导的几何结构和中央PN结的布局,最大化光场与耗尽区(即结区)的空间重叠,以在低驱动电压下获得高调制效率。
在激光器中,实现光场和载流子限制的主流技术方案通常有两种:掩埋异质结(Buried Heterostructure, BH)和脊波导(Ridge Waveguide, RWG)两种波导结构。
 
RWG结构直接在多层外延材料上刻蚀出一个脊形波导。脊的刻蚀深度通常刚好穿透有源层上方,但不完全去除两侧的有源层材料。两侧可能通过离子注入或刻蚀后钝化进行电学隔离。
 
 
 
条形波导与脊形波导
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与下面将要说到的BH埋入异质结构方不同,RWG波导结构提供了更简单的处理、更少的过度生长步骤、更高的生产产量和更低的成本。因此,通常用于成本敏感、如部分PON用的EML。
 
而BH结构首先通过刻蚀形成有源层(多量子阱,MQW)的窄条形台面(Active Mesa),然后通过二次外延(Regrowth)在其两侧和上方生长低折射率、宽禁带的半导体材料(如InP)将其“埋入”其中。
 
 
 
条形波导与脊形波导
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BH结构被普遍应用于需要高输出功率、高效率和高温性能的激光器中,例如用于高速相干通信、共封装光学外部光源的DFB激光器,以及高性能EML的激光器部分。
 
条形波导与脊形波导
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224Gbps 单端驱动 EML 的 COC 封装方案Lumentum 的差分驱动 EML 芯片
 
另外,BH结构的波导截面不一定是标准的脊形。比如说有的EML会采用“混合波导结构”,其中DFB部分为BH,EAM部分为“高台面”结构。
 
 
 
条形波导与脊形波导
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三菱:从高台面结构到混合玻璃基板与 FC+WB 的高速 EML
Category: 光器件与模块, 光通信

博主
李东霏
【香农信息技术研究院】

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