Y10T49 【通信基础】几个常用波导尺寸与模式
在光模块，需要控制光波导的地方很多，今天略举例聊一下差异。
光纤，是肯定需要控制波导的
激光器、Inp调制器、硅光调制器、铌酸锂调制器，这几个常见器件的波导，我也做个对比。
光在真空的速度是一样的，30万公里/秒。但是在介质中的传输速度则会降低，降低的程度就是折射率，这也是材料折射率的定义。
玻璃的折射率~1.5，光在玻璃的传输速度是30/1.5，~20万公里/秒
硅的折射率~3.45，磷化铟的折射率~3.25，氮化硅的折射率~1.95，铌酸锂的折射率~2.2
为什么是约？
玻璃的主要材料氧化硅，对于氧化硅的成型工艺不同，原子的分布密度不同，折射率会有所差异。玻璃的次要成分，如掺入的氧化铝、磷、锗等离子，也会导致折射率的略有差异。玻璃中传输的光的波长不同，折射率也略有差异，光的能量分布区域不同，折射率还会出现略有不同的现象。
在细节设计里，会将折射率值取到好几个小数点后，提高精度。
今天我们是做简易的对比，所以我给出的数字，有个~
波导，对电磁波的传输进行导向，对光做波动的“导向”设计，类似水管的铺设。
光的传播有一个特点，快光会自动向慢光流动。所谓的快光慢光，本质就是折射率的表述。
当用低折射率材料包裹住一段高折射材料时，光在满足全反射条件前提下被限制在高折射率区间，由设计好的高折射率分布区间进行导向。
今天也不涉及不满足全反射条件的光泄露，比如倒锥形taper的泄露场。
那么，我们有一个非常非常核心的参数，叫折射率差
光场的分布会比物理芯层略大一点，Y6T103 模场直径比纤芯物理直径略大，今天这个微小差异也忽略掉
对于单模光纤来说，控制折射率差，可以控制单模模场尺寸。
能扩大光场尺寸，有利于降低非线性效应，提高性能。但是扩大尺寸的前提在于精确控制折射率差。千分之二，和千分之三，千分之四的折射率差对应的光场尺寸差异非常大。
要在数千数万公里都保持住折射率差的精度，这就是光纤制造厂的手艺。
早期铌酸锂，波导尺寸宽~10μm，高~5μm，是通过钛掺杂来设计折射率差，实现波导的控制。
咱们的单模激光器，InP的调制器，EML的电吸收调制，这些通常是基于InP材料以及InP晶格适配的InGaAsP、InGaAs、AlGaInAs等材料组合设计而成。
Inp调制器的波导，用InGaAsP比较多，这是芯层，包层通常采用Inp(包括Inp的各种掺杂)、钝化层的氧化硅、氮化硅、辅助材料的BCB等等结合而成。
InP的调制器波导（大多数情况）是偏振敏感的，高度~1μm，宽度~2μm，大多数的情况就是，对于调制器而言，还需要考虑非常非常多的其他功能，比如带宽，比如效率，比如工艺复杂度，比如成本，所以InP调制器的波导结构变化也很大，PIN、BH-PIN、SI-PIN、NIPN....
单模的激光器，通常采用InP材料，通常的意思是，也可以有其他材料，只是商用的光通信波段的激光器光源单模结构以InP为主。多模以GaAs为主。半导体激光器的解析，菲魅有一个500+PPT，6小时左右的课。
把某个例子的激光器，拿出来，忽略掉p型n型这些电学描述，剩下的就是用InP包裹的InGaAsP。InGaAsP的折射率大，是芯层，InP的折射率略小，是包层。
EML的InP的电吸收区域波导设计结构，与InP的激光器波导，InP调制器的波导，大同小异。
只是EML的波导在高速调制，56Gbps、112Gbps、224Gbps...，需要再次压缩波导尺寸，就会引起比InP更低折射率的辅助结构，如聚酰亚胺，BCB树脂，氧化硅、空气等，这些材料的折射率比Inp的折射率要更低一些。
压缩光波导的宽度，目的是降低结电容，提高EML的调制带宽
硅调制器，忽略掉p型n型半导体描述，剩下的就是硅和氧化硅材料，硅的折射率3.45左右，很大，氧化硅1.46左右，很小，硅的波导通常宽度~0.4μm，高度~0.22μm
比较热闹的薄膜铌酸锂，芯层材料是铌酸锂，包层通常选择氧化硅。波导的宽度~1μm，高度~0.6μm
对于通信而言，单模通信比多模通信更具有优势，多模通信用在低成本情况下。
刚才聊到的模场，是基于单模，也就是单横模的状态来聊的。
如果扩大芯直径，光还是可以约束波导里的，只是不能保证其单一横模而已。
比如多模光纤50μm直径、62.5μm直径等等，方便耦合，可适配VCSEL的多模光源，缺点就是无法控制模式。
或者说，想控制其为单一模式，需要额外的辅助技术，比如常用的弯曲/盘绕来滤除高阶模。这个方法《2023合集下》 旭创 单模多模光纤适配光模块
厚硅工艺与薄硅工艺，厚硅在调制器上用的非常非常少，原因也是不能保证其单模，如需单模需要额外辅助设计。
基于薄硅的调制器，是目前光通信默认的工艺能力。
这里边有个区别，就是铌酸锂早期的大波导，和现在的薄膜铌酸锂的小波导尺寸，都是单模。
为啥铌酸锂的小波导和多模单模光纤，厚硅薄硅波导，出现了模式的差异。
原因在于，薄膜铌酸锂换了材料，改变了折射率差。这也是薄膜铌酸锂工艺更难的一个因素，是异质材料的结合，存在材料之间的应力等可靠性风险。
在这几个常用波导里，我们并不是选择最低损耗的那种设计，而是考虑了更多的综合因素。
比如常规单模光纤，芯层掺杂，如锗，损耗的略大一些的。超低损耗的纯氧化硅光纤设计，就是避免芯层掺杂。
所有的性能获得，都需要制造成本，在成本、技术成熟度、性能之间，产业会选择一个性价比最优的解，而非性能最优解。
还有一个就是，相比较普通光纤而言，半导体调制器的损耗大到不忍直视的层面。可为什么还会选择半导体InP调制器，半导体的硅调制器呢？？
原因在于，半导体可控，
100G、200G的EML，电吸收调制区长度150-80μm，~0.1mm，~0.01cm，所以引起的光学损耗绝对值很小。又不打算把这种高损耗的波导铺设几百公里，是吧。
InP的IQ MZ结构的调制器长度~mm级别。硅的MZ调制器长度~mm级别，硅的微环调制器~几十μm....，
总体而言，采用半导体控制电信号的精确操作，实现大带宽设计，波导的损耗在这个团队的共同性能提升时，属于牺牲自己成全大局的角色。
普通光纤，啥也不干，不做调制，不做光源，认认真真把低损耗传输的特点这一件事做到极致即可。不普通的光纤，比如光纤掺入铒离子，用来做光纤放大器，用来做光纤激光器，这里边的光纤损耗也不再是普通无源光纤的损耗了。
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