聚合物脊型光波导的有限元分析

曾维友，毛书哲，陈伟

（湖北汽车工业学院 理学系，湖北 十堰442002）

在集成光器件的研究中，为实现器件的高度集成化，减小损耗和器件长度，研究人员发展了紧凑型集成光器件。非线性有机聚合物介电常数较低，易于与多种衬底材料结合，制备工艺相对简单［1］，目前成为制作紧凑型集成光器件的热点材料之一。

光波导是有机聚合物光电器件中的重要结构单元，为了设计出性能优越的聚合物光电器件，先从理论上对光波导进行分析优化是必要的。由于聚合物材料的物化特性，光波导的制备常采用旋涂和反应离子束刻蚀等工艺［2］，因而光波导通常用脊型波导结构。就脊型光波导而言，由于结构复杂没有严格的解析解，因此要用数值方法对其进行分析计算。分析光波导的数值方法有模耦合理论、转移矩阵法、有限元法、有效折射率法、时域有限差分法和束传播法等［3］。有限元法是近似求解数理边值问题的一种数值技术，广泛应用于工程和数学问题。目前，二维问题的有限元方法已相当成熟，在电磁学和其他方面起着显著的作用。

本文利用有限元法分析了聚合物脊型光波导中的基模和高阶模，得出了不同脊高、脊宽及芯层厚度情况下基模和高阶模的色散特性和场分布，为应用有机聚合物设计集成光电器件提供了一定的指导。

1 理论分析

脊型光波导的结构如图1所示，脊的宽度为w，上、下包层的折射率分别为n1和n3，芯层的折射率为n2，芯层的厚度为d，脊的高度为h。……