光電子學(第四章11)

1、 湖南大學物理與微電子科學學院，王玲玲2016 年 3 月物理與微電子科學學院物理與微電子科學學院School of Physics and MicroelectronicsScience 光電子學 第四章 光輻射在介質(zhì)波導中的傳播 第十七講問題一：光纖的損耗有哪幾種問題一：光纖的損耗有哪幾種? 吸收損耗：吸收損耗： 本征吸收損耗，本征吸收損耗，紫外區(qū)紫外區(qū)吸收，電子躍遷電子躍遷引起； 紅外區(qū)紅外區(qū)吸收，晶格振動晶格振動及多聲子過程多聲子過程引起； 過渡金屬正離子和水氫氧根負離子；過渡金屬正離子和水氫氧根負離子； 熔融石英玻璃含水；原子缺陷吸收損耗; 耗散損耗： 線性散射損耗，線性散射損耗，瑞

2、利散射，瑞利散射，米氏散射；米氏散射； 非線性散射損耗；波導散射損耗； 彎曲損耗： 彎曲處曲率半徑越小，損耗越大；彎曲處曲率半徑越小，損耗越大； 越長，損耗越大； 問題二：什么是光纖的色散？問題二：什么是光纖的色散？ 問題三：光纖的色散有哪幾種？哪些屬于模內(nèi)色散？哪些屬于問題三：光纖的色散有哪幾種？哪些屬于模內(nèi)色散？哪些屬于模間色散？單模光纖與多模光纖分別由什么為主？模間色散？單模光纖與多模光纖分別由什么為主？ 引起色散：材料色散，材料色散，波導色散，波導色散，模間色散；模間色散； p模內(nèi)色散：模內(nèi)色散：材料色散材料色散與波導色散（單模光纖）波導色散（單模光纖）； p模間色散（多模光纖）。模間

3、色散（多模光纖）。 問題四：材料色散主要由什么決定？問題四：材料色散主要由什么決定？ 問題五：波導色散主要由什么決定？問題五：波導色散主要由什么決定？ 波導色散：波導色散：光纖幾何特性使信號相位相位和群速度群速度隨 變引起色散，光纖結(jié)構(gòu)引起，屬模內(nèi)色散； 入射角不同致不同 光波傳輸路程不同引起引起時延差致波導色散； 波導色散：與尺寸（線經(jīng)a）有關； 與 有關； p a一定， 越長，波導色散越嚴重（短 相反），與材料色散相反。 問題六：模間色散主要由什么決定？問題六：模間色散主要由什么決定？ 光輻射在介質(zhì)波導中的傳播 44-7 光纖損耗與色散 4-6 光纖中電磁波模式理論 4-4 矩形介質(zhì)波導基

4、本概念 4-3 平板波導的電磁理論 4-2 介質(zhì)平板光波導的射線分析方法 4-1 光在介質(zhì)分界面上的反射與折射 4-5 光纖中的射線分析（上、下） 4-8 光波導裝置與應用 波導制造方法及改性 干涉濾波器 1 3 2 光開關和調(diào)制器 20世紀60年代早期光波導現(xiàn)象，理論發(fā)展，裝置問世。 但：有些裝置未經(jīng)受t考驗，性能差淘汰； 有些局限，或僅應用潛在可能。 部分光波導裝置應用成功。 領先摻鈦鈮酸鋰（Ti:LiNbO3），適合波導，特大電光和聲光系數(shù)。 商品化大塊基片出售，易加工。 4-1光在介質(zhì)分界面上反射與折射4-2介質(zhì)平板上光波導射線分析方法 4-3平板波導電磁理論 4-4矩形介質(zhì)波導基本概

5、念4-5光纖中射線分析4-6光纖中電磁波模式理論4-7光纖損耗與色散4-8光波導裝置光波導裝置與應用與應用一、波導的制造一、波導的制造 二、開關和調(diào)制器 三、干涉濾波器 p 介紹波導 （1）制造工藝、 （2）裝置結(jié)構(gòu)、 （3）主要性能、 （4）應 用。 4-1光在介質(zhì)分界面上反射與折射4-2介質(zhì)平板上光波導射線分析方法 4-3平板波導電磁理論 4-4矩形介質(zhì)波導基本概念4-5光纖中射線分析4-6光纖中電磁波模式理論4-7光纖損耗與色散4-8光波導裝置光波導裝置與應用與應用一、波導的制造一、波導的制造 二、開關和調(diào)制器 三、干涉濾波器 波導范圍廣， 制造技術(shù)各不同。 平板波導（一方向不受限）和通

6、道波導（四周包圍物，矩形，光纖）集成光學與甚大規(guī)模集成（VLSI）微電子學類似； 目標： p同基片制大量小型互聯(lián)裝置，及LED發(fā)光二極管、LD半導體激光器和探測器； 基片正確定向，拋光和表面凈化，波導材料薄層附加到基片表面。 非晶材料， 直接沉積任何基片上； 結(jié)晶層無應力外延生長技術(shù)附加到結(jié)晶基質(zhì)上。p 兩技術(shù)都派生不同方法，各具優(yōu)點。p 基質(zhì)表面性質(zhì)通過擴散 或注入不同類物質(zhì)變。 p 不需部分刻蝕法去除，基片表面發(fā)生，表面部分區(qū)形成一定圖案，光刻技術(shù)。 p 光刻：材料沉積， 材料去除。 1. 平板波導加工平板波導加工 2. 基片的制備 3. 波導膜的沉積與生長 4-1光在介質(zhì)分界面上反射與折

7、射4-2介質(zhì)平板上光波導射線分析方法 4-3平板波導電磁理論 4-4矩形介質(zhì)波導基本概念4-5光纖中射線分析4-6光纖中電磁波模式理論4-7光纖損耗與色散4-8光波導裝置光波導裝置與應用與應用4. 材料的改性 5. 刻 蝕 6. 金屬板印刷 多光電子裝置基元 m級，加工超凈間進行。 濾除灰塵顆粒空氣，否光刻波導條紋現(xiàn)裂痕； 恒T和濕度，可重復； 凈室人員穿特制衣服，設計使帶進房間污染最小。 上措施合格率可靠性使用壽命（聯(lián)系）。 一、波導的制造一、波導的制造 二、開關和調(diào)制器 三、干涉濾波器 Si 基鐵電光波導示意圖4-1光在介質(zhì)分界面上反射與折射4-2介質(zhì)平板上光波導射線分析方法 4-3平板波

8、導電磁理論 4-4矩形介質(zhì)波導基本概念4-5光纖中射線分析4-6光纖中電磁波模式理論4-7光纖損耗與色散4-8光波導裝置光波導裝置與應用與應用1. 平板波導加工 2. 基片的制備基片的制備 3. 波導膜的沉積與生長 4. 材料的改性 5. 刻 蝕 6. 金屬板印刷 一、波導的制造一、波導的制造 二、開關和調(diào)制器 三、干涉濾波器 基片非晶，玻璃；晶片，機械電子性能好。 電光裝置：基片絕緣結(jié)晶LiNbO3； 光發(fā)射裝置：InP或GaAS制備。 厚0.5mm，橫向幾cm， 結(jié)晶基片原料鋼玉，大塊晶體。 結(jié)晶：氣液或非結(jié)晶固態(tài)相變。4-1光在介質(zhì)分界面上反射與折射4-2介質(zhì)平板上光波導射線分析方法 4

9、-3平板波導電磁理論 4-4矩形介質(zhì)波導基本概念4-5光纖中射線分析4-6光纖中電磁波模式理論4-7光纖損耗與色散4-8光波導裝置光波導裝置與應用與應用1. 平板波導加工 2. 基片的制備基片的制備 3. 波導膜的沉積與生長 4. 材料的改性 5. 刻 蝕 6. 金屬板印刷 一、波導的制造一、波導的制造 二、開關和調(diào)制器 三、干涉濾波器 Si 基鐵電光波導示意圖 液體是所需材料化合物高純?nèi)廴谖铮?固體小塊籽晶。液體分子逐層附著表面，每層與前層正確相對位置。 如：Si片單晶爐提拉生長。數(shù)十kg電子學級Si入熔爐，射頻誘導加熱器或電阻加熱線圈將其熔化。熔爐與熔化Si不反應，以免摻雜質(zhì)。 Si石Tm

10、 1412，不純物析出。熔爐石墨底座 機械強度。 熔融在惰性氣體Ar或真空進行。Si 基鐵電光波導示意圖4-1光在介質(zhì)分界面上反射與折射4-2介質(zhì)平板上光波導射線分析方法 4-3平板波導電磁理論 4-4矩形介質(zhì)波導基本概念4-5光纖中射線分析4-6光纖中電磁波模式理論4-7光纖損耗與色散4-8光波導裝置光波導裝置與應用與應用1. 平板波導加工 2. 基片的制備基片的制備 3. 波導膜的沉積與生長 4. 材料的改性 5. 刻 蝕 6. 金屬板印刷 一、波導的制造一、波導的制造 二、開關和調(diào)制器 三、干涉濾波器 GaAs（Tm 1238）類基片技術(shù)生長。 區(qū)別：GaAs加熱分解，熔融物上方As蒸汽

11、壓須控制。 BN坩堝，磁場熔融，“磁滯磁滯”抑制熱能對流， 優(yōu)點： 生長晶體位錯數(shù)。 長晶體，XRD晶軸定向，切片，刻蝕10 m，去除切割和成形晶格缺陷。 表面拋光，得優(yōu)于2 m平面度。 沉沉 積積 外延生長 基片準備好，制備波導膜。 方法： p 沉積和外延生長。 沉積基片表面1 m厚電介質(zhì)或金屬膜： 真空蒸發(fā)：真空蒸發(fā)：基片和鍍膜材料置真空罩，后者加熱Tm，熱能使孤立原子逃離熔融物飛往基片，附著表層。 類非真空鍍膜：類非真空鍍膜：真空鍍膜不同射頻濺鍍法，鍍膜室充N，Ar. 基片基片 靶靶 4-1光在介質(zhì)分界面上反射與折射4-2介質(zhì)平板上光波導射線分析方法 4-3平板波導電磁理論 4-4矩形介

12、質(zhì)波導基本概念4-5光纖中射線分析4-6光纖中電磁波模式理論4-7光纖損耗與色散4-8光波導裝置光波導裝置與應用與應用1. 平板波導加工 2. 基片的制備 3. 波導膜的沉積與生長波導膜的沉積與生長 4. 材料的改性 5. 刻 蝕 6. 金屬板印刷 一、波導的制造一、波導的制造 二、開關和調(diào)制器 三、干涉濾波器 基片在鍍膜材料附近，鍍膜室充P 10-3-10-2乇Ar2； 鍍膜材料陰極（靶）； 基片陽極（圖7-2）。 p 交流射頻E（13.56MH）作用，Ar進入等離子態(tài)（離子與自由電子混合）。 p 帶正電荷Ar離子先轟擊陰極靶使 其發(fā)射鍍膜原子濺射，入射快速 離子與靜態(tài)原子間動量交換過程。

13、p 發(fā)射方向隨機，大量原子 飛向基片附著表面。 p 濺鍍適合金屬靶。 p 速率依賴靶性質(zhì)，波導層較厚， 長沉積t.陽極陽極 陰極陰極 基片基片 靶靶 4-1光在介質(zhì)分界面上反射與折射4-2介質(zhì)平板上光波導射線分析方法 4-3平板波導電磁理論 4-4矩形介質(zhì)波導基本概念4-5光纖中射線分析4-6光纖中電磁波模式理論4-7光纖損耗與色散4-8光波導裝置光波導裝置與應用與應用 沉沉 積積 外延生長 1. 平板波導加工 2. 基片的制備 3. 波導膜的沉積與生長波導膜的沉積與生長 4. 材料的改性 5. 刻 蝕 6. 金屬板印刷 一、波導的制造一、波導的制造 二、開關和調(diào)制器 三、干涉濾波器 A、化學

14、汽化沉積（CVD）非真空鍍膜： p熔爐，一大氣壓熱氣體混合物從基片上方流過，化學反應，生成需化合物，漸沉積在基片表面； p基片按不同方位放置，取決氣流方向/還是 豎直，與加熱方式有關。 4-1光在介質(zhì)分界面上反射與折射4-2介質(zhì)平板上光波導射線分析方法 4-3平板波導電磁理論 4-4矩形介質(zhì)波導基本概念4-5光纖中射線分析4-6光纖中電磁波模式理論4-7光纖損耗與色散4-8光波導裝置光波導裝置與應用與應用 沉沉 積積 外延生長 1. 平板波導加工 2. 基片的制備 3. 波導膜的沉積與生長波導膜的沉積與生長 4. 材料的改性 5. 刻 蝕 6. 金屬板印刷 一、波導的制造一、波導的制造 二、開

15、關和調(diào)制器 三、干涉濾波器 4-1光在介質(zhì)分界面上反射與折射4-2介質(zhì)平板上光波導射線分析方法 4-3平板波導電磁理論 4-4矩形介質(zhì)波導基本概念4-5光纖中射線分析4-6光纖中電磁波模式理論4-7光纖損耗與色散4-8光波導裝置光波導裝置與應用與應用 沉沉 積積 外延生長 1. 平板波導加工 2. 基片的制備 3. 波導膜的沉積與生長波導膜的沉積與生長 4. 材料的改性 5. 刻 蝕 6. 金屬板印刷 一、波導的制造一、波導的制造 二、開關和調(diào)制器 三、干涉濾波器 圖1 雙梯度法制備ZnCdSSe nm線實驗裝置圖2 ZnxCd1-xSySe1-y nm線各元素占百分比與處基底位置關系靠近放置

16、相應反應物石英管側(cè)呈較高比例，印證反應物濃度梯度對ZnCdSSe組分影響基于氣基于氣液液固（固（VLS）機）機制半導體合金制半導體合金nm線化學氣相線化學氣相沉積（沉積（CVD）雙梯度法理論）雙梯度法理論4-1光在介質(zhì)分界面上反射與折射4-2介質(zhì)平板上光波導射線分析方法 4-3平板波導電磁理論 4-4矩形介質(zhì)波導基本概念4-5光纖中射線分析4-6光纖中電磁波模式理論4-7光纖損耗與色散4-8光波導裝置光波導裝置與應用與應用 沉沉 積積 外延生長 1. 平板波導加工 2. 基片的制備 3. 波導膜的沉積與生長波導膜的沉積與生長 4. 材料的改性 5. 刻 蝕 6. 金屬板印刷 一、波導的制造一、

17、波導的制造 二、開關和調(diào)制器 三、干涉濾波器 圖3 x, y含量與處基底位置關系，插圖x, y實驗數(shù)據(jù) 圖4 與位置相關ZnxCd1-xSySe1-y nm線禁帶寬度與發(fā)射峰 理論預期值（黑方塊）與實驗數(shù)據(jù)（紅三角形）對比；禁帶寬度對比；(a) 發(fā)射峰 對比。4-1光在介質(zhì)分界面上反射與折射4-2介質(zhì)平板上光波導射線分析方法 4-3平板波導電磁理論 4-4矩形介質(zhì)波導基本概念4-5光纖中射線分析4-6光纖中電磁波模式理論4-7光纖損耗與色散4-8光波導裝置光波導裝置與應用與應用 沉沉 積積 外延生長 1. 平板波導加工 2. 基片的制備 3. 波導膜的沉積與生長波導膜的沉積與生長 4. 材料的

18、改性 5. 刻 蝕 6. 金屬板印刷 一、波導的制造一、波導的制造 二、開關和調(diào)制器 三、干涉濾波器 圖5 不同內(nèi)置石英管位置，合金nm線組分x, y與所處基底位置關系(a) z1=0, z2=20(b) z1=5, z2=15 (c) z1=10, z2=104-1光在介質(zhì)分界面上反射與折射4-2介質(zhì)平板上光波導射線分析方法 4-3平板波導電磁理論 4-4矩形介質(zhì)波導基本概念4-5光纖中射線分析4-6光纖中電磁波模式理論4-7光纖損耗與色散4-8光波導裝置光波導裝置與應用與應用 沉沉 積積 外延生長 1. 平板波導加工 2. 基片的制備 3. 波導膜的沉積與生長波導膜的沉積與生長 4. 材料

19、的改性 5. 刻 蝕 6. 金屬板印刷 一、波導的制造一、波導的制造 二、開關和調(diào)制器 三、干涉濾波器 圖6 不同反應物濃度梯度下，ZnCdSSe nm線禁帶寬度圖7 不同反應物濃度梯度及生長T梯度，汽相過飽和度對應基底不同位置關系裝載反應物石英管互靠攏（z1=5mm，z2=15mm），z向過飽和度呈較大波動，基底不同位置nm線不同生長機制隨載有反應物石英管靠攏，生長產(chǎn)物能帶間隙跨度呈逐漸縮小趨勢。 非晶膜非晶膜沉積隨機，無固定晶態(tài)結(jié)構(gòu)。 -V半導體光電裝置要求膜層分子有序排列，外延法生長。 外延生長思想： p基片有序生長模板，膜與基片參數(shù)匹配； p生長材料與基片相同化學成分同質(zhì)外延； p兩種

20、材料不同化學成分異質(zhì)外延。 4-1光在介質(zhì)分界面上反射與折射4-2介質(zhì)平板上光波導射線分析方法 4-3平板波導電磁理論 4-4矩形介質(zhì)波導基本概念4-5光纖中射線分析4-6光纖中電磁波模式理論4-7光纖損耗與色散4-8光波導裝置光波導裝置與應用與應用 沉 積 外延生長外延生長 1. 平板波導加工 2. 基片的制備 3. 波導膜的沉積與生長波導膜的沉積與生長 4. 材料的改性 5. 刻 蝕 6. 金屬板印刷 一、波導的制造一、波導的制造 二、開關和調(diào)制器 三、干涉濾波器 外延生長可基于蒸汽蒸汽或液體液體。 后者可基片Tm實現(xiàn)。 5%As+95%Ga混合88（GaAsTm1238）熔融， 一個As

21、與一個Ga結(jié)合，生成GaAs，基片表面外延生長。 Ga/As熔融過程變，開始比值高。GaAs基片持續(xù)生長GaAs模， 工作TGaAsTm，不伴隨基片熔化。 基于液態(tài)外延生長術(shù)液相外延（LPE），有缺點，性能更好氣相外延（VPE）取代。 4-1光在介質(zhì)分界面上反射與折射4-2介質(zhì)平板上光波導射線分析方法 4-3平板波導電磁理論 4-4矩形介質(zhì)波導基本概念4-5光纖中射線分析4-6光纖中電磁波模式理論4-7光纖損耗與色散4-8光波導裝置光波導裝置與應用與應用p 外延生長條件： 吸附原子表面擴散速率； 基體與薄膜結(jié)晶相容性； 基體表面狀態(tài)。 沉 積 外延生長外延生長 1. 平板波導加工 2. 基片的

22、制備 3. 波導膜的沉積與生長波導膜的沉積與生長 4. 材料的改性 5. 刻 蝕 6. 金屬板印刷 一、波導的制造一、波導的制造 二、開關和調(diào)制器 三、干涉濾波器 B、分子束外延（MBE）超高真空汽化低溫過程 過程：加熱幾個裝生長材料成分熔爐（電子束加熱），汽化，發(fā)射原子飛行過程結(jié)合形成新分子束，被基片表面吸收。 控制不同材料蒸汽速率，膜生長慢（0.01-0.03m/h）； 優(yōu)點：低溫，膜與基片間不擴散， 適用生長應變多量子阱（MQW）；）； MBE（分子束外延）起源MQW。 4-1光在介質(zhì)分界面上反射與折射4-2介質(zhì)平板上光波導射線分析方法 4-3平板波導電磁理論 4-4矩形介質(zhì)波導基本概念

23、4-5光纖中射線分析4-6光纖中電磁波模式理論4-7光纖損耗與色散4-8光波導裝置光波導裝置與應用與應用 沉 積 外延生長外延生長 1. 平板波導加工 2. 基片的制備 3. 波導膜的沉積與生長波導膜的沉積與生長 4. 材料的改性 5. 刻 蝕 6. 金屬板印刷 一、波導的制造一、波導的制造 二、開關和調(diào)制器 三、干涉濾波器 量子阱：2種不同半導體相間排列成，明顯量子限制效應電子或空穴勢阱。 特征：p 量子阱寬度限制（足夠小形成），載流子波函數(shù)一維向局域化。 p 三明治結(jié)構(gòu)，中間薄層半導體膜，外側(cè)兩隔離層。 應變多量子阱應變多量子阱TEM（透射電鏡）截面圖（透射電鏡）截面圖 4-1光在介質(zhì)分界

24、面上反射與折射4-2介質(zhì)平板上光波導射線分析方法 4-3平板波導電磁理論 4-4矩形介質(zhì)波導基本概念4-5光纖中射線分析4-6光纖中電磁波模式理論4-7光纖損耗與色散4-8光波導裝置光波導裝置與應用與應用 沉 積 外延生長外延生長 1. 平板波導加工 2. 基片的制備 3. 波導膜的沉積與生長波導膜的沉積與生長 4. 材料的改性 5. 刻 蝕 6. 金屬板印刷 一、波導的制造一、波導的制造 二、開關和調(diào)制器 三、干涉濾波器 InAsP MQW PL強度與阱數(shù)關系 量量子子阱阱使使量量子子點點有有效效發(fā)發(fā)光光 nm晶體表面涂層有機分子，阻礙外來電子刺激量子點發(fā)光。 美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室將C

25、dSe量子點量子點放在“量子阱量子阱”上，量子阱為媒介間接刺激量子點發(fā)光。發(fā)光二極管效率效率 一倍。一倍。 200710 Nature 4-1光在介質(zhì)分界面上反射與折射4-2介質(zhì)平板上光波導射線分析方法 4-3平板波導電磁理論 4-4矩形介質(zhì)波導基本概念4-5光纖中射線分析4-6光纖中電磁波模式理論4-7光纖損耗與色散4-8光波導裝置光波導裝置與應用與應用 沉 積 外延生長外延生長 1. 平板波導加工 2. 基片的制備 3. 波導膜的沉積與生長波導膜的沉積與生長 4. 材料的改性 5. 刻 蝕 6. 金屬板印刷 一、波導的制造一、波導的制造 二、開關和調(diào)制器 三、干涉濾波器 InAsP/InP

26、/InGaP/InP/GaInAsP應變補償應變補償MQW（應變多量子阱）激光器（應變多量子阱）激光器 應變多量子阱應變多量子阱 4-1光在介質(zhì)分界面上反射與折射4-2介質(zhì)平板上光波導射線分析方法 4-3平板波導電磁理論 4-4矩形介質(zhì)波導基本概念4-5光纖中射線分析4-6光纖中電磁波模式理論4-7光纖損耗與色散4-8光波導裝置光波導裝置與應用與應用 沉 積 外延生長外延生長 1. 平板波導加工 2. 基片的制備 3. 波導膜的沉積與生長波導膜的沉積與生長 4. 材料的改性 5. 刻 蝕 6. 金屬板印刷 一、波導的制造一、波導的制造 二、開關和調(diào)制器 三、干涉濾波器 p 有些位置空出，雜質(zhì)原

27、子乘虛入，占據(jù)補空式（a）； p 無空位，雜質(zhì)原子通過晶格間隙擴散進基片填隙式（b）； p 兩種都向基片內(nèi)擴散向內(nèi)擴散。 4-1光在介質(zhì)分界面上反射與折射4-2介質(zhì)平板上光波導射線分析方法 4-3平板波導電磁理論 4-4矩形介質(zhì)波導基本概念4-5光纖中射線分析4-6光纖中電磁波模式理論4-7光纖損耗與色散4-8光波導裝置光波導裝置與應用與應用 表面改性用于制波導，簡單法擴散。 基片與摻雜材料直接接觸，后者固，液或氣體。 二者加熱800-1000，熱能 ，摻雜物和基片原子比室溫活潑。 基片原子受晶格限制，平衡位置附近振動。 1. 平板波導加工 2. 基片的制備 3. 波導膜的沉積與生長 4. 材

28、料的改性材料的改性 5. 刻 蝕 6. 金屬板印刷 一、波導的制造一、波導的制造 二、開關和調(diào)制器 三、干涉濾波器 擴擴 散散 離子交換與質(zhì)子交換 離子注入 基片原子沿與雜質(zhì)原子反方向擴散向外擴散向外擴散。 向內(nèi)擴散用于制波導裝置制波導裝置； 如LiNbO3基片放層金屬Ti，擴散形成Ti:LiNbO3波導。 向內(nèi)擴散向內(nèi)擴散 4-1光在介質(zhì)分界面上反射與折射4-2介質(zhì)平板上光波導射線分析方法 4-3平板波導電磁理論 4-4矩形介質(zhì)波導基本概念4-5光纖中射線分析4-6光纖中電磁波模式理論4-7光纖損耗與色散4-8光波導裝置光波導裝置與應用與應用1. 平板波導加工 2. 基片的制備 3. 波導膜

29、的沉積與生長 4. 材料的改性材料的改性 5. 刻 蝕 6. 金屬板印刷 一、波導的制造一、波導的制造 二、開關和調(diào)制器 三、干涉濾波器 擴擴 散散 離子交換與質(zhì)子交換 離子注入 交換過程：基片和某種材料熔融物。 p某種活潑離子在基片中濃度比熔融物中高；p另種活潑離子在熔融物中濃度比基片中高。 基片浸入熔融物，低T（200-400），兩種離子相對擴散，基片和熔融物成分交換。 二者極化率差引起n變，用于制造波導。 4-1光在介質(zhì)分界面上反射與折射4-2介質(zhì)平板上光波導射線分析方法 4-3平板波導電磁理論 4-4矩形介質(zhì)波導基本概念4-5光纖中射線分析4-6光纖中電磁波模式理論4-7光纖損耗與色散

30、4-8光波導裝置光波導裝置與應用與應用1. 平板波導加工 2. 基片的制備 3. 波導膜的沉積與生長 4. 材料的改性材料的改性 5. 刻 蝕 6. 金屬板印刷 一、波導的制造一、波導的制造 二、開關和調(diào)制器 三、干涉濾波器 擴 散 離子交換與質(zhì)子交換離子交換與質(zhì)子交換 離子注入 掩模對離子起擋板作用， 離子通過開槽運動，開槽區(qū)：p Na+脫離基片向熔液擴散；p Ag+向基片擴散，取代Na+位置。輕Na+被重Ag+取代基片窄條n ，形成條紋通道波導。 外加E強化Ag+向基片擴散，縮短t，得較深均勻擴散。向基片向基片擴散擴散 脫離基片向脫離基片向熔液擴散熔液擴散 u 圖基于離子交換用鈉鈣玻璃（S

31、iO2，Na2O和其他金屬氧化物混合物）制通道波導原理。 u 玻璃基片涂掩模，上開窄條形槽，浸入AgNO3熔融物。 4-1光在介質(zhì)分界面上反射與折射4-2介質(zhì)平板上光波導射線分析方法 4-3平板波導電磁理論 4-4矩形介質(zhì)波導基本概念4-5光纖中射線分析4-6光纖中電磁波模式理論4-7光纖損耗與色散4-8光波導裝置光波導裝置與應用與應用1. 平板波導加工 2. 基片的制備 3. 波導膜的沉積與生長 4. 材料的改性材料的改性 5. 刻 蝕 6. 金屬板印刷 一、波導的制造一、波導的制造 二、開關和調(diào)制器 三、干涉濾波器 擴 散 離子交換與質(zhì)子交換離子交換與質(zhì)子交換 離子注入 離子注入用于半導體

32、摻雜。原理： p離子進基片，不同方式高真空進行，裝置復雜昂貴。 離子源熔融爐，靜電法抽取離子束，含不同離子， 注入元素單電荷離子，有雙電荷雙電荷和雜質(zhì)離子雜質(zhì)離子。 對電荷或原子重量敏感濾波器（質(zhì)量或維恩Wien過濾器）， 選種離子，選出離子束被高壓（100-1000kV）加速，離子高速打擊基片，進入。 p 進入基片離子與基片原子不斷碰撞損失能量。 p 最終某深度停，實現(xiàn)離子注入。 p 基片原子碰撞錯位，注入結(jié)束對基片退火。 4-1光在介質(zhì)分界面上反射與折射4-2介質(zhì)平板上光波導射線分析方法 4-3平板波導電磁理論 4-4矩形介質(zhì)波導基本概念4-5光纖中射線分析4-6光纖中電磁波模式理論4-7

33、光纖損耗與色散4-8光波導裝置光波導裝置與應用與應用1. 平板波導加工 2. 基片的制備 3. 波導膜的沉積與生長 4. 材料的改性材料的改性 5. 刻 蝕 6. 金屬板印刷 一、波導的制造一、波導的制造 二、開關和調(diào)制器 三、干涉濾波器 擴 散 離子交換與質(zhì)子交換 離子注入離子注入 膜層制好，成形，去除不需材料刻蝕刻蝕。 去除或刻蝕，依據(jù)純物理純物理或化學化學過程，可結(jié)合。 根據(jù)：p是否要求真空和 p有無用掩模分類。 早期化學濕刻蝕； 現(xiàn)代微加工含真空刻蝕； 后者刻蝕。 設備復雜，改進控制水平，有高度可選擇性和定向性優(yōu)點，廣泛用。 4-1光在介質(zhì)分界面上反射與折射4-2介質(zhì)平板上光波導射線分

34、析方法 4-3平板波導電磁理論 4-4矩形介質(zhì)波導基本概念4-5光纖中射線分析4-6光纖中電磁波模式理論4-7光纖損耗與色散4-8光波導裝置光波導裝置與應用與應用1. 平板波導加工 2. 基片的制備 3. 波導膜的沉積與生長 4. 材料的改性 5. 刻刻 蝕蝕 6. 金屬板印刷 一、波導的制造一、波導的制造 二、開關和調(diào)制器 三、干涉濾波器 干刻蝕：純物理，物理/化學結(jié)合法。 物理法（1）濺射法： p被刻蝕材料原子受離子轟擊從表面發(fā)射。 p過程射頻濺射刻蝕，射頻濺射沉積變型，電極連接與沉積過程相反，基片不是靶被轟擊，離子打擊基片有角度，刻蝕有方向性。 物理法（2）離子束刻蝕：p直流濺射鍍膜變型

35、。 4-1光在介質(zhì)分界面上反射與折射4-2介質(zhì)平板上光波導射線分析方法 4-3平板波導電磁理論 4-4矩形介質(zhì)波導基本概念4-5光纖中射線分析4-6光纖中電磁波模式理論4-7光纖損耗與色散4-8光波導裝置光波導裝置與應用與應用1. 平板波導加工 2. 基片的制備 3. 波導膜的沉積與生長 4. 材料的改性 5. 刻刻 蝕蝕 6. 金屬板印刷 一、波導的制造一、波導的制造 二、開關和調(diào)制器 三、干涉濾波器 刻蝕需定位。 希望對基片小面積刻蝕，基片沉積層掩模，需要刻蝕基片位置對掩模開槽。 對掩模材料性質(zhì)要求有比基片低得多濺射速率，比基片被刻蝕更慢。 純物理法對不同材料刻蝕速度差別小，掩模與基片以相

36、同速率被刻蝕，刻蝕深度受限。 4-1光在介質(zhì)分界面上反射與折射4-2介質(zhì)平板上光波導射線分析方法 4-3平板波導電磁理論 4-4矩形介質(zhì)波導基本概念4-5光纖中射線分析4-6光纖中電磁波模式理論4-7光纖損耗與色散4-8光波導裝置光波導裝置與應用與應用1. 平板波導加工 2. 基片的制備 3. 波導膜的沉積與生長 4. 材料的改性 5. 刻刻 蝕蝕 6. 金屬板印刷 一、波導的制造一、波導的制造 二、開關和調(diào)制器 三、干涉濾波器 向基片向基片擴散擴散 脫離基片向脫離基片向熔液擴散熔液擴散 解決刻蝕深度受掩模限制措施： p用無掩模選擇性刻蝕聚焦離子束（FIB）微加工技術(shù)，將離子束控制在小范圍局部

37、濺射。 為將基片上對離子曝光區(qū)限制在一小點，濺射高度定位，計算機控制，基片上刻要求圖案。 不存在掩模問題，允許刻蝕深度達數(shù)十 m，光電子學領域應用。 缺點： 串行過程，生產(chǎn)效率受限； 濺射材料在表面其他處重沉積。 4-1光在介質(zhì)分界面上反射與折射4-2介質(zhì)平板上光波導射線分析方法 4-3平板波導電磁理論 4-4矩形介質(zhì)波導基本概念4-5光纖中射線分析4-6光纖中電磁波模式理論4-7光纖損耗與色散4-8光波導裝置光波導裝置與應用與應用1. 平板波導加工 2. 基片的制備 3. 波導膜的沉積與生長 4. 材料的改性 5. 刻刻 蝕蝕 6. 金屬板印刷 一、波導的制造一、波導的制造 二、開關和調(diào)制器

38、 三、干涉濾波器 向基片向基片擴散擴散 脫離基片向脫離基片向熔液擴散熔液擴散 FIB缺點由活性離子刻蝕（RIE）克服。 物理和化學結(jié)合，類濺射技術(shù)，惰性氣體被活性分子氣體取代。 氣體分解產(chǎn)物（離子）與基片反應在低溫形成易揮發(fā)化合物。 并行過程，借助掩模大面積快速刻蝕；選擇掩模材料和工作氣體，允許深層刻蝕；氣流有方向性，刻蝕高度定向； 生成物從基片表面抽走，避免重新沉積。 理想刻蝕法。無掩模選擇性刻蝕聚焦離子束（FIB）缺點： 串行過程，生產(chǎn)效率受限； 濺射材料在表面其他地方重新沉積。 4-1光在介質(zhì)分界面上反射與折射4-2介質(zhì)平板上光波導射線分析方法 4-3平板波導電磁理論 4-4矩形介質(zhì)波導

39、基本概念4-5光纖中射線分析4-6光纖中電磁波模式理論4-7光纖損耗與色散4-8光波導裝置光波導裝置與應用與應用1. 平板波導加工 2. 基片的制備 3. 波導膜的沉積與生長 4. 材料的改性 5. 刻刻 蝕蝕 6. 金屬板印刷 一、波導的制造一、波導的制造 二、開關和調(diào)制器 三、干涉濾波器 AlTi 制造Ti:LiNbO3方向耦合波導掩模板平面圖。 一層Ti金屬圖案， 確定擴散區(qū)（無陰影）； 另層A1金屬圖案， 確定電極輪廓（陰影）； p 對每層分別作塊模板，高精度將二者套準； p 光學法將模版上圖案轉(zhuǎn)換到基片； u 原理：用光敏有機材料或感光樹脂特性。 4-1光在介質(zhì)分界面上反射與折射4-

40、2介質(zhì)平板上光波導射線分析方法 4-3平板波導電磁理論 4-4矩形介質(zhì)波導基本概念4-5光纖中射線分析4-6光纖中電磁波模式理論4-7光纖損耗與色散4-8光波導裝置光波導裝置與應用與應用1. 平板波導加工 2. 基片的制備 3. 波導膜的沉積與生長 4. 材料的改性 5. 刻 蝕 6. 金屬板印刷金屬板印刷 一、波導的制造一、波導的制造 二、開關和調(diào)制器 三、干涉濾波器 u 工藝： p 制備一塊掩模板一片玻璃， 覆Cr金屬暗板；p 印刷方式將此主板拷貝到基片上。 圖轉(zhuǎn)換過程，基片鍍帶感光性樹脂成圖形膜，高倍顯微鏡將掩模板與基片對準緊固一起; 紫外光UV對樹脂曝光； 基片顯影，膜上得樹脂圖案；

41、不希望膜光刻； 去除剩余樹脂，得波導裝置。 4-1光在介質(zhì)分界面上反射與折射4-2介質(zhì)平板上光波導射線分析方法 4-3平板波導電磁理論 4-4矩形介質(zhì)波導基本概念4-5光纖中射線分析4-6光纖中電磁波模式理論4-7光纖損耗與色散4-8光波導裝置光波導裝置與應用與應用1. 平板波導加工 2. 基片的制備 3. 波導膜的沉積與生長 4. 材料的改性 5. 刻 蝕 6. 金屬板印刷金屬板印刷 一、波導的制造一、波導的制造 二、開關和調(diào)制器 三、干涉濾波器 結(jié)構(gòu)簡單、使用廣泛波導裝置開關和調(diào)制器。應用： p光波網(wǎng)絡伺服，保護裝置及旁通開關，信號處理中可編程延時線； p用于t分割多路通信系統(tǒng)高速開關，允

42、許幾個低比特率通道共享同一單模光纖寬頻帶； p信號編碼外調(diào)制器，光學開關有兩個或以上可供選用輸出端； p對稱系統(tǒng)，有相應數(shù)量輸入端。 p 開關參數(shù)： 開關驅(qū)動電壓； 開啟與導通態(tài)間串擾； 光學插入損耗。 p 對t分割多路傳輸及信號編碼，開關速度重要。 p 方向耦合器： 平衡橋干涉儀； 交叉波導開關； 它們變型。 4-1光在介質(zhì)分界面上反射與折射4-2介質(zhì)平板上光波導射線分析方法 4-3平板波導電磁理論 4-4矩形介質(zhì)波導基本概念4-5光纖中射線分析4-6光纖中電磁波模式理論4-7光纖損耗與色散4-8光波導裝置光波導裝置與應用與應用一、波導的制造 二、開關和調(diào)制器二、開關和調(diào)制器 三、干涉濾波器

43、 不同形式耦合器各種功能： p 濾波； p 偏振偏振選擇。 可調(diào)衰減器可調(diào)衰減器 波導型定向耦合器波導型定向耦合器 1. 方向耦合器方向耦合器 2. 濾波器和偏振選擇裝置 4-1光在介質(zhì)分界面上反射與折射4-2介質(zhì)平板上光波導射線分析方法 4-3平板波導電磁理論 4-4矩形介質(zhì)波導基本概念4-5光纖中射線分析4-6光纖中電磁波模式理論4-7光纖損耗與色散4-8光波導裝置光波導裝置與應用與應用一、波導的制造 二、開關和調(diào)制器二、開關和調(diào)制器 三、干涉濾波器 硅絕緣體（SOI）電光調(diào)制器結(jié)構(gòu) 集成光波導耦合器 4-1光在介質(zhì)分界面上反射與折射4-2介質(zhì)平板上光波導射線分析方法 4-3平板波導電磁理

44、論 4-4矩形介質(zhì)波導基本概念4-5光纖中射線分析4-6光纖中電磁波模式理論4-7光纖損耗與色散4-8光波導裝置光波導裝置與應用與應用1. 方向耦合器方向耦合器 2. 濾波器和偏振選擇裝置 一、波導的制造 二、開關和調(diào)制器二、開關和調(diào)制器 三、干涉濾波器 LiNbO3光調(diào)制器是Mach-Zehnder（馬赫馬赫曾德爾）曾德爾）干涉儀（MZI）行波電極強度光調(diào)制器。 LiNbO3光波導調(diào)制器光波導調(diào)制器 MZI行波電極行波電極LiNbO3電光調(diào)制器電光調(diào)制器 偏置電極偏置電極 LiNbO3基 Mach-Zehnder波導波導 薄膜耦合器薄膜耦合器 行波電極行波電極 輸入光纖輸入光纖 輸出光纖輸出

45、光纖 4-1光在介質(zhì)分界面上反射與折射4-2介質(zhì)平板上光波導射線分析方法 4-3平板波導電磁理論 4-4矩形介質(zhì)波導基本概念4-5光纖中射線分析4-6光纖中電磁波模式理論4-7光纖損耗與色散4-8光波導裝置光波導裝置與應用與應用1. 方向耦合器方向耦合器 2. 濾波器和偏振選擇裝置 一、波導的制造 二、開關和調(diào)制器二、開關和調(diào)制器 三、干涉濾波器 方向耦合器由一對相距近相同條狀波導組成。 兩波導消逝波重疊，從一波導輸入光通過耦合進入第二個波導。 單位長度耦合系數(shù)依賴：波導參數(shù)、導波 及兩波導間隙。 特性由兩波導傳播常數(shù)差 及耦合長度L表示： pN1和N2兩波導有效n. 定義： )(2212nnnnk 集成光波導耦合器 0/kN2121NNnn)(212NN 4-1光在介質(zhì)分界面上反射與折射4-2介質(zhì)平板上光波導射線分析方法 4