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一根波导丝如何「听见」磁铁：磁致伸缩与魏德曼效应

本文把机理拆到底层：磁致伸缩效应、魏德曼效应如何把两个磁场叠成螺旋磁场、如何在波导丝上打出一个扭转波，电子仓又是怎么靠「时间差乘声速」反算出绝对位置。波导丝一端的拾能器（线圈/换能器）就是靠这个：扭转波传到拾能端，引起波导丝局部磁化状态的突变，线圈里感应出一个电压脉冲。所以整条链路的最后一步，是「声 → 磁 → 电」的转换，而不是简单的麦克风拾音。这个细节在现场排查时有用：信号弱不一定是电路坏，也可能是波导丝受机械应力或探伤损伤导致换能效率下降。；两场在磁环处叠加成螺旋磁场，触发魏德曼效应，波导丝该点产生扭转应力波；扭转波以固定声速沿波导丝向两端传播（典型 2830 m/s，材料与温度相关，常见区间 2830~3000 m/s）；传到电子仓一端的扭转波被拾能器检测实现上没有额外魔法——每个磁环在同一段波导丝上都产生一次扭转载荷的叠加，电子仓在时域上分辨出多个返回脉冲即可。

2026-09-17

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交叉波导(waveguide crossing)

这篇笔记梳理下交叉波导的相关知识点。交叉波导(waveguide crossing), 也就是两个不同方向的波导发生交叉，类似一个十字架(crossing)，如下图所示。 ? 我们希望光仍然沿着初始波导的方向传播，而不是进入到另一个方向的波导中。如果仅仅是两个单模波导垂直排布，会有较大的能量在交叉处散射到沉底中。下图是一个简单的FDTD仿真结果，经过交叉区域后，只有75%的能量保留在初始方向的波导中。 ? 从波导本征模式的角度看，在交叉区域，波导的宽度发生突变，模式的有效折射率也相应变大。根据不同的原理，主要分为以下几种类型， 1）taper型使用taper型波导将单模波导过渡到交叉区域，使得波导的有效折射率缓慢变化。典型的taper型交叉波导结构如下图所示， ? （图片来自文献4） 4) 多层SiN结构该结构利用SiN波导与Si波导构成交叉波导，典型的结构如下图所示， ? （图片来自文献5） SiN波导作为一个新的维度，传输光场。

光学小豆芽

2020-11-10

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硅基光波导

第一篇就从最最基本的单元——硅波导说起。硅波导的主要功能是连接不同的光器件，有些类似电路中的导线。 1. 为什么选择硅作为光波导材料？因此光可以较好地束缚在硅波导中，其波导尺寸较小，相同面积的光芯片中可包含更多的光器件，芯片集成度更高。下表是常见的不同材料光波导的对比，可以看出硅波导的器件集成度是最高的。 ? 但是脊形波导的尺寸还是相对较大，并且波导的弯曲半径较大。 ? 硅光Foundry加工硅波导时，通常都分三步完成波导的刻蚀，例如分别刻蚀70nm/80nm /70nm。条型波导用于连接光器件，而脊形波导则可用于调制器中，便于形成电接触。（图片来自文献7）从条型波导过度到该脊形波导，需要taper型的转换结构，以防激发上述波导中的高阶模式，如下图所示， ? （图片来自文献7）另外，硅波导的弯曲半径最小可至5um。

光学小豆芽

2020-08-13

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硅波导的损耗

这篇笔记聊一聊硅光的一个基础问题——硅波导的损耗，以及如何减小硅波导的损耗。硅材料的带隙是1.12eV，对应波长为1110nm，这也意味着对于1310和1550波长的光，硅波导的本征吸收非常小。主要有两个途径，一个是改进波导加工工艺，这是foundry所努力的方向，另一个是选用较宽的脊形波导。对于脊形波导，其模场与波导侧壁的交叠较少，因而受侧壁的影响也比较小，波导传输损耗可以大大降低。需要注意的是，从条型波导到脊形波导，需要设计好过度结构，使得只激发脊形波导的基模。典型的结构如下图所示， ? （图片来自文献2）减小传输损耗的另一个思路是利用SiN波导，将Si波导中的光转移到SiN波导中。SiN的折射率比Si小，因而光场束缚较弱，侧壁粗糙带来的损耗影响相对较小。直波导与弯曲波导相连时，由于连接处曲率半径发生突变，也会存在一定的损耗。这一损耗可以通过设计Euler bend来减小，思路是将弯曲波导的曲率半径缓慢改变。

光学小豆芽

2020-08-13

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多层氮化硅波导

这篇笔记延续上篇笔记关于氮化硅波导体系的讨论，整理下基于多层氮化硅波导体系的典型光器件。 1. 端面耦合器基于多层SiN波导，可以将波导的模斑尺寸扩大，设计出和单模光纤相匹配的端面耦合器。 (图片来自文献1) 该端面耦合器由三层SiN波导阵列构成，每层SiN由4根波导构成。需精心设计每根波导间的距离，以及不同SiN层之间的距离。（图片来自文献2）该端面耦合器由四根SiN波导构成，SiN波导彼此间的距离为2um， SiN波导的尺寸为300nm*120nm。该结构可实现与单模光纤的高效耦合。但是当光从SiN波导中输入时，需要控制好SiN波导与Si波导之间的距离(gap>=1.5um)，如下图所示， ? （图片来自文献3） 3. 当然，缺陷是器件的尺寸比Si波导的相应器件大得多（典型的弯曲半径为50um）。另外，SiN波导可工作在可见光波段，这是其相比于硅波导的另一个优势。

光学小豆芽

2020-08-13

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多层光波导: substracitve photonics

剩下的介质层形成光波导(图l中的小矩形)，空气作为波导的包覆材料。因为机械稳定性的要求，这些波导需要与一些支撑的结构相连，如下图所示， ? （图片来自文献1）另外一种方案是以这些介质层为包覆层，在金属刻蚀完之后的空隙中填充其他材料作为波导的芯层，如下图所示， ? （图片来自文献1）该方案形成的波导结构如下图所示， ? （图片来自文献1）实验中采用的第一种方案，下图是一些不同结构的波导示意图，这些波导通过与一些辅助的支撑结构相连，形成了悬空型的波导(suspended waveguide)。 ? 理论上该方案可以实现多层光波导，每两层金属间的介质层都可以用来形成光波导。但考虑到机械的稳定性，实现起来可能会比较困难，也存在封装的问题。该方案目前的光器件性能还不是最优，后续还需要优化。通过该方案，可以实现多层的光波导互联，进一步提高光器件的集成度，解决大型集成光路中只依靠单层光波导互联的问题。文章中如果有任何错误和不严谨之处，还望大家不吝指出，欢迎大家留言讨论。

光学小豆芽

2021-01-12

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硅基光波导(续)

上篇笔记硅基光波导有两个问题没有说清楚，这篇笔记补充说明一下。 1. 为什么SOI硅的厚度选择220nm? 主要原因是硅波导单模条件的要求。对于平板波导，其单模条件为， ? 选取340nm厚的硅可以实现光器件的偏振不敏感，3um厚的硅波导可以与单模光纤较好的耦合。 2. 硅波导的加工上篇笔记中有一处错误，电子束光刻不是用来刻蚀波导的，而是用来光刻的，将mask上的图案转移到光刻胶上。典型的硅波导加工过程如下图所示， ? （图片来自文献3）加工步骤主要包括硅片的清洗、BARC层的涂覆、光刻胶的涂覆、曝光、显影，波导刻蚀等。不同foundry的工艺会略有差别，但大致流程是类似的。波导干法刻蚀的示意图如下图所示，反应离子被电场加速后，撞击需要刻蚀的Si表面，发生反应。由于离子是在电场加速下，垂直射向Si表面，因而波导刻蚀具有较好的各向异性。 ?

光学小豆芽

2020-08-13

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阵列波导光栅 — 分合波功能

光纤是种波导，圆型光波导。或者约束还有矩形波导，平板型波导等。如下图是矩形波导，也叫条形波导。我们的阵列波导光栅 AWG 则是第一个将 PLC 技术应用于商品化的元器件。从结构上来，AWG 由输入光波导、平板波导、波导阵列、平板波导、输出波导组成。第一段平板波导经过输入光波导后，光信号进入一段平板波导，此处的作用是对光信号进行初步的传播和分布，以确保后续进入波导阵列时的均匀性。波导阵列随后，光信号进入关键的波导阵列区域。波导阵列由一系列长度渐变的波导组成，其长度差异设计符合以下公式，以实现不同波长光信号的相位调节：其中，I(x) 是光波通过波导长度差 L 后产生的相位差，n 是波导材料的折射率， λ 是光波的波长。不同的波长在不同长度的波导中积累特定的相位延迟，从而在离开阵列波导时具有不同的相位关系。第二段平板波导经过波导阵列的光信号再次进入另一个平板波导区域。

通往ICT之路

2024-04-17

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波导断开与菲涅尔反射

前几天一位朋友问我一个问题，光芯片版图里单根波导断开，形成两根波导。两根波导相隔了1纳米，会有什么影响？波导结构示意图如下，WG1与WG2之间相隔的距离为gap, ? 光场虽然可以传播到第二根波导中，但是传播图案呈现出驻波的现象，而不是直接沿着波导传播过去。这个case对自己的启发：一方面，在绘制版图的时候，必须检查仔细，避免波导断开的类似错误，包括波导断开，错位，宽度不匹配等，如下图所示。 ? 另一方面，如果波导终点处没有与其他波导相连，需绘制成taper型波导，作为optical termination, 让光场散射进衬底中，而不是直接截断，避免端面处反射带来的影响，如下图所示， ? 以上是对波导断开问题的一点思考，见微知著，需要下功夫的地方还有很多。文章中如果有任何错误和不严谨之处，还望大家不吝指出，欢迎大家留言讨论。

光学小豆芽

2020-08-13

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阵列波导光栅(AWG)的工作原理

AWG是Arrayed Waveguide Grating阵列波导光栅，是密集波分复用系统（DWDM）中的首选技术。AWG是一种平面波导器件，是利用PLC技术在芯片衬底上制作的阵列波导光栅。输入星形耦合器的结构与星形耦合器类似，差别仅在于数十根输出波导被一根输入波导替代，输入波导的端口位于输出波导的中心位置C。图片20.jpg 凹面光栅与星形耦合器之间的类比，如图3所示。在星形耦合器中，DWDM信号从输出波导的中心店C（即输入波导的镜像点）发出，这个点在罗兰圆上。如果在阵列波导中能否如凹面光栅一样，发生反射式衍射，那么不同波长将会聚焦在罗兰圆上的不同点。在阵列波导中间设置一个反射镜，将阵列波导对称分开。阵列波导的左侧一半镜像到右侧一半，输入星形耦合器镜像到输出星形耦合器，输入波导镜像到输出波导的中心位置C。因此AWG的工作过程可视同：DWDM信号从输出波导的中心位置C输入，经过输出星形耦合器中的自由传输，分配至阵列波导之中；多光束在阵列波导的右半侧传输至镜面，被反射的多光束进入输出星形耦合器；经过星形耦合器中的自由传输之后

亿源通科技HYC

2019-12-26

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