硅波导损耗的成因、降低策略与测试解析

    在光通信领域，硅波导是一种非常重要的元件。然而，硅波导存在损耗问题，这会影响光信号的传输质量和效率。那么，硅波导的损耗是怎么产生的呢？又有哪些方法可以减小这些损耗呢？

    硅波导损耗主要有两个来源：侧壁粗糙和弯曲波导。
    侧壁粗糙会导致传输损耗。由于波导加工的限制，侧壁会有大约1nm的粗糙度，这会加剧光场的散射。在1550nm波长下，硅波导的传输损耗一般在2-3dB/cm左右。
    弯曲波导也会引起损耗。当波导弯曲时，等效折射率会发生改变，部分光场会散射到衬底中。此外，直波导与弯曲波导连接时也会存在损耗。
    为了减小硅波导的损耗，科学家们采取了多种方法。
    改进波导加工工艺是foundry努力的方向，通过提高加工精度，可以减少侧壁的粗糙度，从而降低损耗。
    选用较宽的脊形波导也是一种有效的方法。脊形波导的模场与侧壁交叠较少，因此传输损耗可以大大降低。基于浅刻蚀的脊形波导传输损耗可达到0.3dB/cm，在长距离routing中可以采用，但需要设计好过渡结构，以确保只激发脊形波导的基模。
    利用SiN波导也是一种新思路。将Si波导中的光转移到SiN波导中，由于SiN光场束缚较弱，侧壁粗糙带来的损耗影响相对较小。不过，这需要设计Si-SiN的模式转换结构。
    设计Eulerbend可以减小直波导与弯曲波导连接时的损耗。通过缓慢改变弯曲波导的曲率半径，可以实现这一目标。

    此外，半径为5um（或更小）的弯曲波导可以起到偏振片的作用，因为TM模式经过弯曲波导更容易散射到衬底中，而TE模受弯曲波导的影响相对较小。
    在测试硅波导损耗时，有两种常用的方法。传输损耗测试采用cut-back方法，选用不同长度的波导进行测试，这样可以同时得到耦合损耗和传输损耗。弯曲波导损耗测试则采用多个bends相连，通过比较不同数目bends的损耗，来得到单个bend的损耗大小。
    不同硅光foundry提供的硅波导损耗参数也有所不同。一般来说，条形波导的传输损耗在2-3dB/cm左右，弯曲半径大于5um即可。
    总之，减小硅波导损耗的方法主要包括工艺改进和新结构的设计。通过不断探索和创新，相信未来能够进一步降低硅波导的损耗，提高光通信的性能。