光波導(dǎo)理論與技術(shù)

1、光波導(dǎo)集成光學(xué)：1）按集成的方式劃分：個數(shù)集成和功能集成;2）按集成的類型劃分: 光子集成回路（PIC）和光電子集成回路（OEIC）； 3）按集成的技術(shù)途徑劃分： 單片集成和混合集成；按研究內(nèi)容劃分：導(dǎo)波光學(xué)和集成光路。纖維光學(xué)（圓波導(dǎo)）和集成光學(xué)（平板波導(dǎo)、條形波導(dǎo)）是導(dǎo)波光學(xué)的兩大分 支。傳播常數(shù)。和有效折射率N=p/k0=n1sinO是研究平板波導(dǎo)的重要參數(shù)。平板波導(dǎo)的兩種基本模式：TE模：E，H，H； TM模：H，E，E。對稱平板光波導(dǎo)中，基模無論如何都不截止；非對稱的基模可能截止。對于非對稱波導(dǎo)，隨著波長的增大，波導(dǎo)層厚度的減小，同階數(shù)的TM模先截 止；對于對稱波導(dǎo)，同階數(shù)的TE和T

2、M模一起截止。7、一個平板光波導(dǎo)的波導(dǎo)層、襯底層和覆蓋層折射率分別為n、n和n3，若在波長人下 保持單模傳輸，波導(dǎo)層的厚度d應(yīng)在什么范圍內(nèi)選取?答案：單模傳輸?shù)那疤釛l件是非對稱波導(dǎo)。截止厚度計算式4所以dTEQ =cdTM Q =cmn + arctandTE =-cmn + arctandTM =-c人 arctann2 一 n2 12 y kdTEi =carctan人 arctanaTM( jn2 n寸 n1n2 2n 頊2 nn2 一 n2 a= 23-TE n 一 n124 n2-n2 n 一 n 12+冗單模傳輸條件4dTE0 V d V dTEd V dTMQc因為 dTEo v

3、 dTM0 并且dTM0 V dTEi cccc所以波導(dǎo)層厚度的取值范圍為dTE0 Vd VdTM0 cc人 arctan I i J 2H)n 一籍8、一個平板光波導(dǎo)的波導(dǎo)層、襯底層和覆蓋層折射率分別為氣、七和七，波導(dǎo)層的厚度 為d，若只讓TEo模傳輸，波長長應(yīng)在什么范圍內(nèi)選取?答案：單模傳輸?shù)那疤釛l件是非對稱波導(dǎo)。截止厚度計算式人TE =c2冗d弋n：-m 冗 + arctan aTE,：丸 dn ： n：人 TM =1 (當cmn + arctan aaTMn： n： a =3-TEn： 一 n124 n2 - n： T3 n： 一 n： i ：TM，單模傳輸條件s人TE1 V人V人TE

4、0人 人TM 0c因為 %tmo v %teo 并且 Xtei v Mm所以波導(dǎo)層厚度的取值范圍為人TM0 V人V人TE0CC：nd n： - n：v 人 V：n d*n： 一 n：arctan約I n3 )n ： 一 n：3n ： 一 n ：i：-arctan，匚-An ： 一 n：J3V n ： 一 n：i ： /a 2ETE模和TM模的波動方程（亥姆霍茲方程）分別為：二L +q = 4nX 23 0a 2 hy + dx 2=0y10.TE模的模式本征方程:tang）=h 11 - h：)n：k： - B ： 1 0B ： 一 n ： k ：0；TM模的模式tan程n： h+n： h=：

5、3 1 -性 pnt qn ： h n ： h兩種分析矩形波導(dǎo)的方法：1）馬卡梯里近似解法；2）有效折射率法。Ey12和尸22典型的電場分布如下：H I號b1 1 E I | | 11d 2 Ed 2 E （）Emnx模波動方程：-q2X*奄T+牛2一。Ex = 0，其中P 2 = P 2 + P 2 - n2k 2對于y方向的板波導(dǎo)，馬卡梯里近似解法和有效折射率法的方程以及參數(shù) 是完全相同的；對于x方向的平板波導(dǎo)，兩種方法的方程相同，唯一的不同在于 波導(dǎo)區(qū)的折射率，馬卡梯里近似解法的波導(dǎo)區(qū)折射率為S，而有效折射率法的波 導(dǎo)區(qū)折射率為n故=朝島無論E x模還是e y模，有效折射率法計算得到的傳

6、播常數(shù)近似值大于馬卡 梯里近似解法的計算結(jié)果。用擴散、離子交換和離子注入（三種常用的摻雜方法）等技術(shù)能制作漸變折 射率平板光波導(dǎo)，因光線在其中沿“弧形曲線”前進故能避免因界面不規(guī)則引 起的散射損耗。階躍非對稱漸變折射率平板光波導(dǎo)的橫向諧振條件：光線在相鄰兩個全反射 點（或拐點）之間的x向相位變化為2mn。（m=0,1,2對于強非對稱.（氣三3）漸變折射率平板光波j0 k灣（x）- P 2dx = m冗 + _ xi）導(dǎo)，常將模式本征方程寫為（m = 0,1,2）集成光路有以下兩種基本形式：混合集成光路和單片集成光路。集成光路目前存在的最大困難：電學(xué)器件和光學(xué)器件的兼容性。光波導(dǎo)的制備有兩個基本

7、條件：波導(dǎo)層與周圍介質(zhì)有一定的折射率差，且波 導(dǎo)層折射率較大，以形成波導(dǎo)；波導(dǎo)層對所要傳輸?shù)墓馔该?，即損耗小。光波導(dǎo)的制作方法：薄膜沉積；物理氣相沉積：濺射鍍膜；化學(xué)氣相沉積； 溶液沉積；替位式摻雜；降低載流子濃度形成波導(dǎo)；外延生長：液相外延法（LPE）、 氣相外延法（VPE）、分子束外延（MBE）、金屬有機化學(xué)氣相沉積（MOCVD）。濺射法制作波導(dǎo)的原理：濺射鍍膜是利用電場對輝光放電過程中產(chǎn)生出來的 帶電離子進行加速，使其獲得一定的動能后，轟擊靶電極，將靶電極的原子濺射 出來，沉積到襯底形成薄膜。波導(dǎo)損耗的三種表示方式：功率衰減系數(shù)；分貝（dB）；奈培（Np）。dB cm分貝損耗系數(shù)adBc

8、madB cmacm與線性坐標&中炒系數(shù)&之間的關(guān)系3抑=4343a= dBm 2 dBm 1 z - zIn P (z ) - ln P (z )1- mW 2 1- mW 1 26.光波導(dǎo)的散射損耗有兩種：體散射（次要的）和表面散射（主要的）。吸收損耗包括兩種：帶間吸收和帶內(nèi)吸收（也稱自由載流子吸收）。減小帶間吸收損耗的兩種方法：將第三種元素加進二元化合物形成帶寬較寬 的三元系化合物；采用一種發(fā)射波長比波導(dǎo)材料吸收邊對應(yīng)波長更長的激光器。LiNO3波導(dǎo)主要損耗：散射損耗；半導(dǎo)體波導(dǎo)主要損耗：吸收損耗；輻射損 耗主要在彎曲波導(dǎo)。功率損耗系數(shù)有簡單的表達式：a =C1exp（-C2R）：曲率半

9、徑R越小，彎曲輻射損耗越嚴重。質(zhì)31.波導(dǎo)彎曲損耗可分為以下兩種類型：光波在波導(dǎo)彎曲處部分地輻射到周圍空 間中引起的輻射損耗；光波從直波導(dǎo)進入彎曲波導(dǎo)時因耦合而轉(zhuǎn)換為其他導(dǎo)模所 引起的模式耦合損耗。彎曲波導(dǎo)功率損耗的主要原因：彎曲波導(dǎo)外側(cè)波導(dǎo)光的相 速度大于內(nèi)側(cè)波導(dǎo)光的相速度，所以在大于彎曲波導(dǎo)半徑部分的光波，在半徑方 向上存在著輻射損耗；彎曲部分入口處的場分布不匹配，使入射光的部分功率輻 射進襯底造成功率損耗。光耦合器的基本性質(zhì)是它的耦合效率和模式選擇性。橫向耦合的兩種（聚焦：平行端接耦合。必（-）耦合波方程： 一J =k A （z）e頊吁62）z和 2=K A （z血-同去耦合長度：八氣1

10、2 2玄 21 1c 2（K2 + A2 ，A=（P1-P2）/2求耦合長度的方法：方法一：分別求解兩個波導(dǎo)的場分布，然后計算得到耦合系數(shù)，再根據(jù)耦合系數(shù)計算得到耦合長度。方法二：將定向耦合器作為一個波 導(dǎo)系統(tǒng)，求解其本征方程得到對稱模和反對稱模的傳播常數(shù)。和。；再根據(jù)公 式L =n/（p -P ）計算得到耦合長度。S 階數(shù)越大的模式，耦合系數(shù)越小。實現(xiàn)光波調(diào)制的兩種方式：利用調(diào)制信號直接控制激光器的振蕩參數(shù)，使輸 出激光束的特性隨信號而變，稱為內(nèi)調(diào)制；利用調(diào)制信號作用于激光器外部獨立 的調(diào)制器，產(chǎn)生某種物理效應(yīng)（如電光、磁光、聲光、熱光、非線性等效應(yīng)）， 使通過調(diào)制器的激光束某一個參量隨信號

11、而變，稱為外調(diào)制。LiNbO3電光相位調(diào)制器的工作原理：當電極上施加調(diào)制電壓時，波導(dǎo)折射率因電光效應(yīng)發(fā)生改變，因而光導(dǎo)波通過電極區(qū)后其相位隨調(diào)制電壓而改變。為了 實現(xiàn)單模傳輸，對于基模，要高于截止點；而對于一階模，要低于截止點。聲光效應(yīng)的本質(zhì)：聲波傳播時，媒質(zhì)的密度及應(yīng)變發(fā)生正弦形的擾動，因而 折射率沿聲波傳播距離周期性地改變，成為一種相位光柵，使入射的光波在通過 相位光柵時發(fā)生衍射。Q = 2冗L，Q1時，為布拉格衍射。拉曼-奈斯僑射和布拉格衍射的區(qū)別：前者聲波頻率較低，聲波束寬度（即聲 光相互作用長度）較小，入射光線與超聲波面垂直，產(chǎn)生對稱分布的多級衍射條 紋，衍射效率低；后者超聲波頻率較

12、高，聲光作用區(qū)較長，光線與超聲波面有一 定角度斜入射時發(fā)生的，衍射光強分布不對稱，而且只有零級和+1或-1級衍射 光，衍射效率高。布拉格衍射產(chǎn)生的條件：三條：不同-同一；同一-相鄰；不同-相鄰。聲光調(diào)制的工作原理：聲光調(diào)制是利用聲光效應(yīng)將信息加載于光頻載波上的 一種物理過程。調(diào)制信號是以電信號（調(diào)輻）形式作用于電-聲換能器上，電-聲換 能器將相應(yīng)的電信號轉(zhuǎn)化為變化的超聲場，當光波通過聲光介質(zhì)時，由于聲光作 用，使光載波受到調(diào)制而成為“攜帶”信息的強度調(diào)制波。調(diào)制帶寬是聲光調(diào)制器的一個重要參量，它是衡量能否無畸變地傳輸信息的 一個技術(shù)指標。聲光偏轉(zhuǎn)器的結(jié)構(gòu)與布拉格聲光調(diào)制器基本相同，所不同之處在

13、于聲光調(diào)制 器是改變衍射光的強度，而聲光偏轉(zhuǎn)器則是利用改變聲波頻率來改變衍射光的 方向，使之發(fā)生偏轉(zhuǎn)。磁光效應(yīng)主要包括：法拉第效應(yīng)（線偏振光透過放置在磁場中的物質(zhì)，沿磁 場方向傳播時，光的偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)）；科頓-穆頓效應(yīng)（當光的傳播方向與磁場 垂直時，光矢量平行于磁場方向的線偏振光的相速不同于光矢量垂直于磁場方向 的線偏振光的相速而產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象）；磁致二向色性效應(yīng)。三種典型的非互易磁光波導(dǎo)器件：隔離器：只允許光波單向傳輸；回轉(zhuǎn)器： 使正向和反向傳播的光波產(chǎn)生n的相位差；環(huán)行器：光波只能沿著光環(huán)路的一個 特定方向傳播。光隔離器是一種只允許光沿一個方向通過而在相反方向阻擋光通過的光無源 器件，例

14、如：半導(dǎo)體激光器、光纖放大器。半導(dǎo)體激光器的工作原理:是向半導(dǎo)體PN結(jié)注入電流，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布， 產(chǎn)生受激輻射，再利用諧振腔的正反饋，實現(xiàn)光放大而產(chǎn)生激光振蕩的。產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的方法：注入載流子一半導(dǎo)體激光器；強光對激光物質(zhì)進行 照射一固體激光器；氣體電離一氣體激光器。產(chǎn)生激光的必要條件：1）受激輻射占主導(dǎo)地位；2）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布；3）有 光學(xué)諧振腔。半導(dǎo)體激光器的效率隨著溫度的上升而下降，這是因為存在以下兩個效應(yīng)： 第一，吸收增加；第二，量子效率Sq）下降。產(chǎn)生后一種效應(yīng)是因為當溫度升 高時，熱激發(fā)使電子和空穴的能量分布擴展到較寬范圍，于是對于給定的任一注 入輸入電流，具有適當能量間隔的

15、對受激輻射起作用的電子-空穴對就較少。同 樣的這兩個效應(yīng)，將造成產(chǎn)生激光所需閾值電流密度的增大。顯然，若輸入電流 密度給定，由于這兩個效應(yīng)，輸出功率也將隨著溫度的上升而下降。異質(zhì)結(jié)激光器具有很好的性能，主要是由于光場限制和更有效的載流子注入 與復(fù)合這兩者的聯(lián)合效應(yīng)。DFB激光器波長的穩(wěn)定性較好，因為光柵能夠鎖定激光器輸出給定的波長。PIN光電二極管的工作原理：中間的I層是N型摻雜濃度很低的本征半導(dǎo)體， 用n（N）表示；兩側(cè)是摻雜濃度很高的P型和N型半導(dǎo)體，用P+和N+表示。I 層很厚，吸收系數(shù)很小，入射光很容易進入材料內(nèi)部被充分吸收而產(chǎn)生大量電 子-空穴對，因而大幅度提高了光電轉(zhuǎn)換效率。兩側(cè)P+層和N+層很薄，吸收 入射光的比例很小，I層幾乎占據(jù)整個耗盡層