光波導(dǎo)原理及器件簡介

1、信息光電子技術(shù)作業(yè) 4/4光波導(dǎo)原理及器件簡介摘要：20世紀(jì)60年代激光器的出現(xiàn)，導(dǎo)致了半導(dǎo)體電子學(xué)、導(dǎo)波光學(xué)、非線性光學(xué)等一系列新學(xué)科的涌現(xiàn)。20世紀(jì)70年代，由于半導(dǎo)體激光器和光纖技術(shù)的重要突破，導(dǎo)致了以光導(dǎo)纖維通信、光信息處理、光纖傳感、光信息存儲(chǔ)與顯示等為代表的光信息科學(xué)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，而導(dǎo)波光學(xué)理論是光通信技術(shù)的基礎(chǔ)，同時(shí)也是集成光學(xué)、光纖傳感等學(xué)科的基礎(chǔ)。本文簡述了光波導(dǎo)的原理，并著重介紹光波導(dǎo)開關(guān)。關(guān)鍵詞：光波導(dǎo)，波導(dǎo)光學(xué)，平面光波導(dǎo)，光波導(dǎo)開光1.引言1.1光波導(dǎo)的概念波導(dǎo)光學(xué)是一門研究光波導(dǎo)中光傳輸特性及其應(yīng)用的學(xué)科。以光的電磁理論和介質(zhì)光學(xué)特性的理論為基礎(chǔ)，研究光波導(dǎo)的傳光

2、理論、調(diào)制技術(shù)及光波導(dǎo)器件的制作與應(yīng)用技術(shù)。導(dǎo)波光學(xué)系統(tǒng)是由光源、光波導(dǎo)器件、耦合器、光調(diào)制器及光探測(cè)器等組成的光路系統(tǒng)。光波導(dǎo)是將光波限制在特定介質(zhì)內(nèi)部或其表面附近進(jìn)行傳輸?shù)膶?dǎo)光通道。簡單的說就是約束光波傳輸?shù)拿浇?，又稱介質(zhì)光波導(dǎo)。介質(zhì)光波導(dǎo)的三要素是：“芯/包”結(jié)構(gòu)，凸形折射率分布（n1n2），低傳輸損耗。光波導(dǎo)常用材料有：LiNbO3、Si基（SiO2、SOI）、-族半導(dǎo)體、聚合物等。1.2光波導(dǎo)的分類按幾何結(jié)構(gòu)分類，光波導(dǎo)可分為：平面（平板）介質(zhì)波導(dǎo)，矩形（條形）介質(zhì)波導(dǎo)，圓和非圓介質(zhì)波導(dǎo)。包層包層n2芯區(qū)n1圖1. 三層平面介質(zhì)波導(dǎo)圖2. 矩形波導(dǎo)圖3. 圓光波導(dǎo)圖4. 橢圓光波導(dǎo)按

3、波導(dǎo)折射率在空間的分布分類，光波導(dǎo)可分為：非線性光波導(dǎo)（n=n(x,y,z,E)），線性光波導(dǎo)（n=n(x,y,z)）。線性光波導(dǎo)又可分為：縱向均勻（正規(guī)）光波導(dǎo)（n=n(x,y)），縱向均勻（正規(guī)）光波導(dǎo)（n=n(x,y)）。2.光波導(dǎo)的原理簡介一種為大家所熟知的介質(zhì)光波導(dǎo)就是通常具有圓形截面的光導(dǎo)纖維，簡稱為光纖。然而，集成光學(xué)所注重的光波導(dǎo)往往是平面薄膜所構(gòu)成的平板波導(dǎo)和條形波導(dǎo)，這里，我只討論平面光波導(dǎo)。最簡單的平板波導(dǎo)由三層材料所構(gòu)成，中間一層是折射率為 n1的波導(dǎo)薄膜，它沉積在折射率為 n2的基底上，薄膜上面是折射率為 n3的覆蓋層，一般都為空氣。薄膜的厚度一般在微米數(shù)量級(jí)，可與光

4、的波長相比較。薄膜和基底的折射率之差一般在10-1和10-3之間。為了構(gòu)成真正的光波導(dǎo)，要求n1必須大于 n2和 n3，即 n1n2=n3。這樣，光能限制在薄膜之中傳播。假定導(dǎo)波光是相干單色光，并假定光波導(dǎo)由無損耗，各向同性，非磁性的無源介質(zhì)構(gòu)成。光在平板波導(dǎo)中的傳播可以看作是光線在薄膜基底和薄膜覆蓋層分界面上發(fā)生全反射，在薄膜中沿 Z 字形路徑傳播。光在波導(dǎo)中以鋸齒形沿Z方向傳播，光在x方向受到約束，而在y 方向不受約束。在平板波導(dǎo)中，n1n2且 n1n3，當(dāng)入射光的入射角1超過臨界角0時(shí)：入射光發(fā)生全反射，此時(shí)，在反射點(diǎn)產(chǎn)生一定的位相躍變。我們從菲涅耳反射公式：出發(fā)，推導(dǎo)出反射點(diǎn)的位相躍變

5、TM、TE為：式中： =k0 n1 sin1為光的傳播常數(shù)，k0= 2為光在真空中的波數(shù)， 是光的波長。要使光在波導(dǎo)中穩(wěn)定的傳播,就要求：其中： k=k0n1cos ,12、13為全反射的相位差，h 為波導(dǎo)的厚度，m 為模序數(shù)，即從零開始的正整數(shù)。所以，只有入射角滿足上式的光才能在光波導(dǎo)中穩(wěn)定地傳播,我們其叫做平板波導(dǎo)的色散方程。根據(jù)這些公式可得到與兩種偏振態(tài)有關(guān)的平板波導(dǎo)模式本征方程。3.光波導(dǎo)的器件舉例光波導(dǎo)是集成光學(xué)重要的基礎(chǔ)性部件，它能將光波束縛在光波長量級(jí)尺寸的介質(zhì)中， 長距離無輻射地傳輸。平面波導(dǎo)型光器件，又稱為光子集成器件，是多類光器件的研究熱點(diǎn)。目前，光通信應(yīng)用最多的平面光波導(dǎo)

6、器件主要包括有 : 各類光耦合器、平面波導(dǎo)陣列光柵、大端口數(shù)矩陣光開關(guān)、陣列型可變光衰減器、可調(diào)諧光濾波器、可調(diào)諧增益均衡器等。此處我主要介紹大端口數(shù)矩陣光開關(guān)。平面波導(dǎo)型開關(guān)主要包含熱光開關(guān)、電光開關(guān)和全內(nèi)反射型開關(guān)。熱光開關(guān)是利用硅波導(dǎo)的熱感應(yīng)折射率變化制作的，其 M-Z 腔由二個(gè)3dB 耦合器和二個(gè)波導(dǎo)臂組成的，其中一臂上加有熱光相移薄膜加熱器。通過受熱和非受熱實(shí)現(xiàn)開關(guān)功能。電光開關(guān)與熱光開關(guān)的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)相似，但采用電折變效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)波導(dǎo)臂的光程差調(diào)制。由于Si材料為中心反演對(duì)稱結(jié)構(gòu)，泡克爾效應(yīng)極弱，電光系數(shù)很小，因此難以利用場(chǎng)致折變效應(yīng)，只能利用 Si材料中的等離子色散效應(yīng)，于是 Si

7、波導(dǎo)層中需要制備 p-n 結(jié)，以實(shí)現(xiàn)高濃度載流子的注入。InGaAsP/InP 材料有較強(qiáng)的泡克爾效應(yīng)和較大的電光系數(shù)而成為該類開關(guān)的研究熱點(diǎn) 。全內(nèi)反射型開關(guān)又叫氣泡開關(guān)，利用了熱毛細(xì)現(xiàn)象。是在波導(dǎo)的交叉點(diǎn)上垂直形成窄矩形槽，槽內(nèi)封入少量折射率匹配油，薄膜金屬加熱器淀積在槽的端上，通過加熱使槽內(nèi)的油產(chǎn)生氣泡以改變波導(dǎo)交叉點(diǎn)的折射率來實(shí)現(xiàn)開關(guān)功能。參考文獻(xiàn)：陳昊. 平面光波導(dǎo)器件的發(fā)展. 信息技術(shù), 2010,175 -178.劉光燦, 白廷柱. 平面光波導(dǎo)器件及應(yīng)用分析. 光電技術(shù)應(yīng)用，2005，20（3）:45-20.催鳳林. 光集成器件. 北京：科學(xué)出版社,2002 ./view/858008a326fff705cd170a11光波導(dǎo)原理與器件概述/