李家，陳抱雪，周建忠

（上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093）

引 言

結(jié)合了光信息處理技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的光學(xué)脈沖耦合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，具備很強(qiáng)的抗干擾能力，同時(shí)具有實(shí)現(xiàn)大規(guī)模并行運(yùn)算等優(yōu)點(diǎn)［1－3］。在利用光阻斷效應(yīng)控制的脈沖耦合神經(jīng)元中，光波導(dǎo)的導(dǎo)模傳輸特性及其光阻斷效果都直接地影響著神經(jīng)元的動(dòng)作特性［4－5］。采用德國(guó)SCHOTT公司的B270玻璃制備的離子交換條波導(dǎo)具有成本低廉，傳輸損耗低且易于和單模光纖陣列對(duì)接耦合的特點(diǎn)［6］。此外，利用As2S8材料的次能級(jí)電子躍遷對(duì)光信號(hào)的吸收，可以在光光作用下產(chǎn)生光阻斷效應(yīng)［7］。盡管可以采用光折變技術(shù)制備As2S8條波導(dǎo)，但制備工藝復(fù)雜，波導(dǎo)傳輸損耗較大，端面難以研磨且與光纖的對(duì)接耦合比較困難［8－11］?，F(xiàn)將兩種材料及其制備技術(shù)結(jié)合起來，可以設(shè)計(jì)出一種既能實(shí)現(xiàn)良好的波導(dǎo)傳輸特性，又可以實(shí)現(xiàn)光阻斷效應(yīng)的復(fù)合光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。

本文提出的這種多模干涉型B270－As2S8復(fù)合條波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，是由Ag＋－Na＋離子交換B270玻璃截止模波導(dǎo)上覆蓋一層As2S8薄膜構(gòu)成的。As2S8薄膜厚度與離子交換波導(dǎo)參數(shù)的匹配設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)632.8nm導(dǎo)模模場(chǎng)集中分布在As2S8薄膜中多模傳輸，復(fù)合條波導(dǎo)的兩端與632.8nm波長(zhǎng)的B270離子交換單模波導(dǎo)通過楔形過渡耦合，這個(gè)特點(diǎn)為為單模傳輸和光阻斷效應(yīng)的有效實(shí)現(xiàn)提供了良好的條件。光束傳播方法（beam propagation method，BPM）仿真表明，該復(fù)合條波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的插入損耗為0.6dB。

1 基本原理

復(fù)合波導(dǎo)的基板是B270玻璃，采用選擇性Ag＋－Na＋離子交換技術(shù)在B270玻璃表面下預(yù)先形成漸變折射率條狀波導(dǎo)，采用兩次離子交換技術(shù)以及控制各次離子交換的時(shí)間，使得該漸變波導(dǎo)的輸入端和輸出端對(duì)632.8nm波長(zhǎng)形成單模傳輸，中間部分對(duì)632.8nm波長(zhǎng)是截止的。在該截止模波導(dǎo)上涂覆一層高折射率的As2S8薄膜，形成復(fù)合波導(dǎo)。控制As2S8薄膜的膜厚可使632.8nm基模從單模輸入波導(dǎo)以較高的耦合效率激發(fā)復(fù)合波導(dǎo)的多模傳輸，多模傳輸形成的干涉場(chǎng)的場(chǎng)分布主要集中在As2S8薄膜中。干涉場(chǎng)沿光的傳播方向呈現(xiàn)周期性的分布變化，輸入場(chǎng)的像可以重復(fù)多次再現(xiàn)，遵循自映像原理。在任一個(gè)輸入場(chǎng)的自映像位置接入輸出單模波導(dǎo)，根據(jù)光波的互易原理，多模干涉波被耦合成單模輸出波導(dǎo)的基模。由于復(fù)合波導(dǎo)的As2S8薄膜中集中了光波電磁場(chǎng)，可以有效激發(fā)632.8nm波長(zhǎng)在As2S8薄膜中的光阻斷效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)光波信號(hào)的調(diào)制。

設(shè)輸入波導(dǎo)的基模在z＝0處激發(fā)復(fù)合波導(dǎo)的多模式導(dǎo)模，根據(jù)模式耦合理論，基模輸入場(chǎng)Ψ（x，y，0）可以寫成復(fù)合波導(dǎo)m個(gè)導(dǎo)模和所有輻射模的線性疊加：

式中Ψν（x，y，0）是復(fù)合波導(dǎo)的ν階導(dǎo)模的光場(chǎng)分布，Cν為振幅耦合系數(shù)，ξ為輻射模，由模式正交性得到：

復(fù)合波導(dǎo)中被激發(fā)的m個(gè)導(dǎo)模的振幅大小由Cν來加權(quán)，輸入端輻射模發(fā)生消散構(gòu)成耦合損耗。由于各階導(dǎo)模的傳播常數(shù)不同，傳輸過程伴有多模干涉疊加，疊加場(chǎng)隨傳輸距離發(fā)生周期性變化，設(shè)一個(gè)周期的長(zhǎng)度是L，若復(fù)合波導(dǎo)的長(zhǎng)度為L(zhǎng)的整數(shù)倍，在復(fù)合波導(dǎo)出射端的多模干涉疊加場(chǎng)是復(fù)合波導(dǎo)輸入場(chǎng)的鏡像：

此處，與輸入端對(duì)稱地接入單模輸出波導(dǎo)，根據(jù)模式耦合的互易性，單模輸出波導(dǎo)中被激發(fā)的基模Ψ（x，y，nL）可以寫成：

于是復(fù)合波導(dǎo)的插入損耗的大小由輸入端輻射模和輸出端輻射模之和決定。根據(jù)上述原理，設(shè)計(jì)的關(guān)鍵有兩個(gè)，一個(gè)是減小輸入端和輸出端的輻射模損耗，另一個(gè)是多模干涉疊加場(chǎng)要盡量分布在As2S8薄膜中。

2 波導(dǎo)設(shè)計(jì)和仿真結(jié)果

2.1 B270玻璃離子交換單模條波導(dǎo)的設(shè)計(jì)

特性調(diào)查采用三維BPM仿真手段，波導(dǎo)參數(shù)設(shè)定參考了離子交換條波導(dǎo)制備的實(shí)驗(yàn)參數(shù)?；迨荢CHOTT公司的B270玻璃，離子源是0.1%AgNO3－99.9%NaNO3混合鹽，Ag＋離子的摩爾比為0.039 8%。理論和實(shí)驗(yàn)都表明，Ag＋離子的摩爾比小于0.05%時(shí)，擴(kuò)散系數(shù)可以等效為一個(gè)常數(shù)Deff，折射率分布具有余誤差函數(shù)的特征［6］。離子交換在350℃氛圍中進(jìn)行，波導(dǎo)的折射率分布可以寫成：

這里，ns和nc分別是玻璃基板和上包層的折射率，t是離子交換時(shí)間，UA（x，y；t）是Ag＋離子的歸一化濃度：

2.2 復(fù)合波導(dǎo)的設(shè)計(jì)

復(fù)合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示于圖1，圖1（a）和（b）互為對(duì)方的中心剖面圖，在B270玻璃襯底上，采用選擇性二次離子交換技術(shù)制備厚度變化的折射率漸變條波導(dǎo)，其中過渡區(qū)域通過側(cè)向擴(kuò)散自然形成，其長(zhǎng)度與離子交換溫度和時(shí)間有關(guān)，約為1μm。輸入和輸出兩端的波導(dǎo)取上節(jié)得到的632.8nm單模條波導(dǎo)，為了達(dá)到多模干涉疊加場(chǎng)能量更多的分布在As2S8薄膜中的目的，中間較薄的條波導(dǎo)對(duì)632.8nm波長(zhǎng)截止，截止波導(dǎo)除了離子交換時(shí)間縮短至20min以外，其它參數(shù)與輸入和輸出波導(dǎo)的相同，截止波導(dǎo)的有效擴(kuò)散深度deff＝1.40μm。在截止波導(dǎo)兩側(cè)開窗制備金屬Al模，然后覆蓋一層As2S8薄膜，構(gòu)成B270－As2S8離子交換復(fù)合多模波導(dǎo)。由于金屬模的隔離作用，Al模上的As2S8薄膜對(duì)導(dǎo)波不作用。632.8nm入射光在輸入波導(dǎo)中激勵(lì)基模傳輸，在復(fù)合波導(dǎo)的入射端激發(fā)多模，經(jīng)1.6μm長(zhǎng)度的過渡區(qū)域的模式相位調(diào)節(jié)，光波被耦合到復(fù)合波導(dǎo)區(qū)域，且光場(chǎng)分布主要集中在As2S8薄膜中傳輸。復(fù)合波導(dǎo)由于在的耦合處發(fā)生了折射率分布的突變，輻射模的激發(fā)是在所難免的。輸入端耦合效率η與As2S8薄膜的厚度h有關(guān)，通過BPM仿真優(yōu)化，得出圖2所示的結(jié)果，膜厚h在1.96～2.08μm范圍內(nèi)均可以獲得較高的耦合效率，這為復(fù)合波導(dǎo)的制備提供了大于0.1μm的膜厚允差。復(fù)合波導(dǎo)長(zhǎng)度被設(shè)計(jì)成輸入場(chǎng)的鏡像距離2.8mm，由于光路結(jié)構(gòu)對(duì)稱，根據(jù)互易原理，光波通過復(fù)合波導(dǎo)后被耦合到輸出波導(dǎo)出射。

圖1 B270－As2S8復(fù)合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of B270－As2S8waveguide

上述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)波效果采用3維BPM仿真運(yùn)行來驗(yàn)證，圖3是仿真?zhèn)鬏斀Y(jié)果。輸入端耦合效率用復(fù)合波導(dǎo)區(qū)域的光功率與輸入光功率的比值來表征，達(dá)到

圖2 耦合效率η與As2S8膜厚h的關(guān)聯(lián)性Fig.2 Relevance between coupling efficiencyη and As2S8film thickness h

上述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)波效果采用3維BPM仿真運(yùn)行來驗(yàn)證，圖3是仿真?zhèn)鬏斀Y(jié)果。輸入端耦合效率用復(fù)合波導(dǎo)區(qū)域的光功率與輸入光功率的比值來表征，達(dá)到94.53%。插入損耗用單模輸入波導(dǎo)的輸入光功率和單模輸出波導(dǎo)的輸出光功率的比值的分貝形式表征，約為0.6dB。另外，從圖3可以看出，復(fù)合波導(dǎo)中的光場(chǎng)大部集中在As2S8薄膜中傳輸，十分有利于光阻斷效應(yīng)的實(shí)施。

圖3 復(fù)合波導(dǎo)的BPM仿真?zhèn)鬏斀Y(jié)果Fig.3 BPM simulation of composite waveguide

3 小 結(jié)

提出并設(shè)計(jì)了一種新型的用于光阻斷效應(yīng)的B270－As2S8多模干涉復(fù)合光波導(dǎo)，與復(fù)合波導(dǎo)銜接的輸入和輸出波導(dǎo)采用了同基集成的Ag＋－Na＋離子交換B270玻璃單模條波導(dǎo)。3維BPM仿真運(yùn)行結(jié)果表明，該復(fù)合波導(dǎo)的端接耦合效率達(dá)到94.53%，復(fù)合波導(dǎo)的插入損耗約為0.6dB。復(fù)合波導(dǎo)中的光場(chǎng)大部集中在As2S8薄膜中傳輸，十分有利于光阻斷效應(yīng)的有效實(shí)施。

［1］ CAULFIELD H J，KINSER J，ROGERS S K，etal.Optical neural networks［J］.IEEE，1989，77（10）：1573－1583.

［2］ GUPTA N，SIMONIS G J，PHAM J，etal.Fabrication of an optoelectronic AlGaAs／GaAs waveguide neuron［J］.IEEE，1993，5（2）：175－177.

［3］ CASASENT D P，CHAO T H.All－optical pulse generators for pulse－coupled neurons［J］.SPIE，1999，3715：46－52.

［4］ 王關(guān)德，陳抱雪.As2S8波導(dǎo)光阻斷效應(yīng)回復(fù)過程機(jī)理［J］.光電工程，2011，38（7）：13－16.

［5］ 王關(guān)德，陳抱雪，濱中廣見，等.非晶態(tài) As2S8薄膜波導(dǎo)光阻斷效應(yīng)切斷過程研究［J］.光學(xué)學(xué)報(bào)，2011，31（12）：151－155.

［6］ 王悠悠，陳抱雪，鄒任玲，等.離子交換單模條波導(dǎo)的折射率分布控制與制備［J］.光學(xué)儀器，2010，32（2）：70－75.

［7］ 梁東波，濱中廣見，陳抱雪.As2S8非晶態(tài)薄膜波導(dǎo)光學(xué)截至效應(yīng)研究［J］.光電子技術(shù)與信息，2001，14（5）：25－28.

［8］ 鄒林兒，陳抱雪，陳 林，等.As2S8玻璃條形波導(dǎo)的光激勵(lì)法制備技術(shù)研究［J］.光學(xué)學(xué)報(bào)，2006，26（7）：1043－1047.

［9］ 鄒林兒，陳抱雪，陳 林，等.光折變法制備的 As2S8條形波導(dǎo)的光阻斷效應(yīng)［J］.物理光學(xué)，2006，55（4）：1868－1872.

［10］ 鄒林兒，陳抱雪，陳 林，等.非晶態(tài) As2S8半導(dǎo)體薄膜的光激勵(lì)現(xiàn)象的研究及應(yīng)用［J］.光學(xué)技術(shù)，2007，33（1）：44－47.

［11］ 鄒林兒，陳抱雪，杜麗萍，等.非晶態(tài) As2S8半導(dǎo)體薄膜的光致結(jié)構(gòu)變化效應(yīng)研究［J］.光子學(xué)報(bào)，2008，37（5）：1002－1004.