什麼是折射率

真空中的光速除以物質中的光速所得的值。在波長 1.55 µm 下,矽約為 3.48,氧化層(SiO2)約為 1.45;此差越大,越能將光強力侷限在小型波導中。

日文名稱: 屈折率

「折射率」出現在5領域的18道練習題中(矽光子, 磊晶成長, 微影等)。

矽波導的截面(條狀與肋狀) SiO₂(折射率 約1.45) Si(折射率 約3.5) 光場分布 SiO₂包覆層 埋入氧化層(BOX) Si基板 寬 約500 nm 厚 220 nm SiO₂包覆層 埋入氧化層(BOX) Si基板 寬 約500 nm 平板層 條狀波導 肋狀波導 光侷限強,可急彎 經平板層連接電極
矽波導的截面(條狀與肋狀) · 在圖解集中查看

這個名詞所屬的領域: 矽光子

練習折射率的題目

以氧化層(SiO2,折射率約1.45)包圍矽波導(折射率約3.5)的結構,其特徵下列何者正確?

  1. A因折射率差大,光容易向外洩漏,只能以比光纖更大的半徑彎曲波導,不適合整合
  2. B因折射率差大而能緊密侷限光,可用數 µm的小半徑彎曲,能高密度排列元件
  3. C折射率差越大越不易受側壁粗糙的影響,傳播損耗可小到與光纖相當
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正確答案:B. 因折射率差大而能緊密侷限光,可用數 µm的小半徑彎曲,能高密度排列元件

光在高折射率的核心(core)與低折射率的周圍(包層,cladding)之界面發生全反射而被侷限,折射率差越大侷限越強。矽與氧化層的差約為2,比光纖核心與包層的差(不到1%)大上好幾個數量級,因此能製作截面約0.5 µm × 0.22 µm的細波導,彎曲半徑也可縮小至數 µm。另一方面,折射率差越大,光越容易因側壁粗糙而散射,傳播損耗雖視條件而定,但典型的條形波導約為1~3 dB/cm左右(脊形波導或低損耗製程則更低),遠大於光纖(約0.2 dB/km)。

在矽光調變器中,以電訊號改變折射率的方法採用載子色散效應(電漿色散效應)的理由為何?

  1. A因為矽是直接躍遷型,注入載子時會強烈發光,而該光會改變折射率
  2. B因為改變電子或電洞的濃度時折射率不變,只有光吸收改變,容易處理
  3. C因為矽晶體具有反轉對稱性,幾乎不會出現以電場直接改變折射率的普克爾斯效應
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正確答案:C. 因為矽晶體具有反轉對稱性,幾乎不會出現以電場直接改變折射率的普克爾斯效應

在鈮酸鋰等晶體中,可利用折射率與電場成正比變化的普克爾斯效應製作高速調變器,但矽的晶體結構具反轉對稱性,幾乎沒有此效應。因此改為利用改變電子或電洞(自由載子)濃度時折射率與吸收隨之改變的載子色散效應。增加載子濃度時折射率變小,同時吸收也增加。折射率的變化很小(10⁻³左右以下),因此將調變器長度做到數 mm左右以累積相位變化。矽是間接躍遷型。

解析中的「折射率」

出現「折射率」的題目(18題)

  1. 以氧化層(SiO2,折射率約1.45)包圍矽波導(折射率約3.5)的結構,其特徵下列何者正確?
  2. 在矽光調變器中,以電訊號改變折射率的方法採用載子色散效應(電漿色散效應)的理由為何?
  3. 光從折射率3.48的矽射向折射率1.45的氧化層時,發生全反射的臨界角(從界面法線量起的角度)最接近下列何者?
  4. 矽光子所使用的SOI晶圓中,埋入氧化層(BOX層)的主要作用為何?
  5. 兩側保留薄矽板(平板,slab)、以淺蝕刻製作的脊形波導,常用於矽光調變器的主要理由為何?
  6. 在邊緣耦合器中,使用朝晶片邊緣逐漸縮窄矽波導寬度的反向錐形結構,理由為何?
  7. 以矽光電路接收來自標準單模光纖的光時,偏振成為問題的理由,下列何者正確?
  8. 馬赫-曾德調變器將光的相位變化轉換為光強度變化的原理,下列何者正確?
  9. 在高速矽調變器中,常採用對相移器的pn接面施加逆偏壓、改變空乏區寬度的方式(空乏型),理由為何?
  10. 矽微環共振器只對特定波長的光產生強烈反應的理由,下列何者正確?
  11. 在使用微環共振器的光電路中,常在環附近設置加熱器控制溫度的理由為何?
  12. 縮短微環共振器的周長時,下列變化何者正確?
  13. 矽光子中,有時會將氮化矽(SiN)波導與矽波導搭配使用。SiN波導的特徵下列何者正確?
  14. 被視為矽波導傳播損耗(dB/cm)主要原因之一的是下列何者?
  15. 利用紅外光的干涉來量測高濃度基板上低濃度磊晶層厚度的方法為下列何者?

相關名詞

波導 能隙 傳播損耗 載子色散效應(電漿色散效應) 矽光子 單模光纖 SOI晶圓 邊緣耦合器 光柵耦合器 馬赫-曾德調變器

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