本章將說明兩種不同結構的光波導元件的特性與模擬分析。在第 一節中，我們將說明第一種埋藏式光波導的基本結構，包含尺寸的設 計以及材料折射率的選擇等。而基本結構參數決定之後，第二節將模 擬計算此波導結構的光場分布。第二種結構的埋藏式光波導，則在第 三節及第四節分述其元件特性與理論模擬計算。
3-1. 埋藏式光波導（一）之結構特性
結構（一）光波導的設計，是以幾何光學為基礎，並針對 1310 nm 的通訊波長，定義出各結構層的參數。此波導的基本架構，是在矽基 板上以 PECVD 方式成長一層約 7 µm 的 SiON 厚膜做為底批覆層
（Bottom cladding layer），再利用黃光微影及蝕刻技術，蝕刻出一個 寬為 5.5 µm，深為 1.75 µm 的凹槽（Trench），然後旋鋪上一層折射 係數為 1.518 的 sol-gel 有機無機混成玻璃材料做為導光層。因為在凹 槽兩側的等效折射係數小於凹槽，所以在導光層 sol-gel 玻璃內的光 場在 lateral 方向可獲得導光能力（Index guiding）。而在 transverse 方 向，我們再塗鋪一層折射係數較小約為 1.493 的頂批覆層（Top cladding layer），來幫助橫向光場的侷限效果。
而藉由幾何光學的近似，我們可推算各結構的參數。為使波導能
Layer Index Thickness(μm)
Top cladding 1.493 11
Sol-gel core 1.518 6
Trench depth (H-h) 1.518 1.75
Bottom cladding（SiON） 1.460 5
SiON
此波導元件在製程上非常容易，所選擇的波導材料為有機無機 混成玻璃，其固化溫度與傳統的高分子波導相比較，是屬於較低溫的 製程（120℃∼200℃）。而且我們可以很輕易的製作出波導元件，量 測出其光學特性如傳輸損耗等，用以驗證我們選擇波導材料的可行 性。
3-2. 埋藏式光波導（一）之理論模擬
找出符合單模操作的元件尺寸之後[7,8]，利用 BPM（Beam propagation method） CAD 軟體去模擬我們設計的波導光場分布，同 時計算出光場的模場直徑（Spot size）以及與單模光纖耦光時的耦合 損耗（Coupling loss），以驗證我們設計出的波導結構的正確性。我們 選定兩種尺寸,一種是凹槽深度達 1µm 而另一是凹槽深度為 1.75µm，
而導光層厚度皆為 6µm，所模擬出來的光場如圖 3-2-1 所示。我們可 發現，凹槽深度為 1.75µm 的結構其對於光場的侷限效果比較好，且 與單模光纖的耦光效率也較高。於是我們將凹槽深度定為 1.75µm。
同時我們也針對不同結構對於單模光纖的耦合效率去做模擬計算。所 得結果如圖 3-2-2。
圖 3-2-1. 兩種不同尺寸結構之光場模擬圖。（a）為凹槽深度 1μm，
（b）為凹槽深度為 1.75μm。
（b）Dimensions : H=7.75μm ; h=6μm ; w=5.5μm Coupling loss :1.591 dB
Spot size : 6.8μm x 14.4μm
（a）Dimensions : H=7.75µm ; h=6µm ; w=5.5µm Coupling loss : 2.072dB
Spot size : 6.0µm x 17.2µm
-2.5
側蝕現象，更容易使材料能完全填入凹槽。這樣的平面結構可提供較 架構，在 lateral 以及 transverse 方向，可分別以一維平行板波導去近 似計算其光場分佈與傳播常數。其中，在 lateral 方向是屬於對稱型結 構，而 transverse 方向則屬於非對稱型結構[9,11,12]。
圖 3-4-1. 結構（二）光波導基本結構圖。
表 3-4-1. 結構（二）光波導各層結構參數。
Layer Index Thickness(μm)
Top cladding 1.460 11
Sol-gel core 1.518 5
Bottom cladding（SiON） 1.494 5
Thermal oxide 1.447 6
SiO
2Si substrate Top cladding
Thermal Oxide Core SiON
Index
Thickness
首先我們以 Matlab 去計算 lateral 與 transverse 方向的等效折射率
與傳播常數。其中，在 lateral 方向，TE 模態的傳播常數βTE = 7.321，
而 Neff = 1.514。TM 模態的傳播常數βTM = 7.321，而 Neff = 1.514。
在 transverse 方向，TE 模態的傳播常數βTE = 7.319，而 Neff = 1.514。
TM 模態的傳播常數βTM = 7.319，而 Neff = 1.514。然後我們再將結 構參數輸入 BPM CAD 去再次計算，所得到的光場模擬圖如圖 3-4-2。
圖 3-4-2. 結構（二）光波導模擬光場圖。
然後我們在經由 BPM tools 去計算得此波導結構的侷限係數為 94.8 %。模場直徑在 lateral 方向為 4.5μm，transverse 方向為 4.2μm。
而與單模光纖的耦合損耗為 1.53dB。
由模場直徑來看此波導的基本光場非常接近一個正圓，且由
Matlab 及 BPM CAD 的計算得知此結構在單模操作。於是我們便可以 根據這些參數，著手去製作光波導元件。