光電子學(第四章11)課件

湖南大學2016年3月SchoolofPhysicsandMicroelectronicsScience

光電子學第四章光輻射在介質(zhì)波導中的傳播

第十七講湖南大學SchoolofPhysicsandMic1問題一：光纖的損耗有哪幾種?吸收損耗：

本征吸收損耗，紫外區(qū)吸收，電子躍遷引起；

紅外區(qū)吸收，晶格振動及多聲子過程引起；

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，瑞利散射，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；越長，損耗越大；第十六講要點回顧問題一：光纖的損耗有哪幾種?吸收損耗：2問題二：什么是光纖的色散？

第十六講要點回顧問題二：什么是光纖的色散？第十六講要點回顧3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？引起色散：材料色散，波導色散，模間色散；

模內(nèi)色散：材料色散與波導色散（單模光纖）；模間色散（多模光纖）。

第十六講要點回顧問題三：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4問題四：材料色散主要由什么決定？第十六講要點回顧問題四：材料色散主要由什么決定？第十六講要點回顧5問題五：波導色散主要由什么決定？波導色散：光纖幾何特性使信號相位和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時延差致波導色散；

波導色散：與尺寸（線經(jīng)a）有關；與有關；a一定，越長，波導色散越嚴重（短相反），與材料色散相反。第十六講要點回顧問題五：波導色散主要由什么決定？波導色散：光纖幾何特性使6問題六：模間色散主要由什么決定？第十六講要點回顧問題六：模間色散主要由什么決定？第十六講要點回顧7光輻射在介質(zhì)波導中的傳播4§4-7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光波導裝置與應用光輻射在介質(zhì)波導中的傳播4§4-7光纖損耗與8第十五講要點波導制造方法及改性干涉濾波器132光開關和調(diào)制器第十五講要點波導制造方法及改性干涉濾波器132920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光波導裝置與應用一、波導的制造二、開關和調(diào)制器三、干涉濾波器介紹波導（1）制造工藝、（2）裝置結(jié)構(gòu)、（3）主要性能、

（4）應用。20世紀60年代早期光波導現(xiàn)象，理論發(fā)展，裝置問世。部分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光波導裝置與應用一、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：

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；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11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。兩技術(shù)都派生不同方法，各具優(yōu)點?；|(zhì)表面性質(zhì)通過擴散或注入不同類物質(zhì)變。

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)。

光刻：材料沉積，

材料去除。1.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、波導的制造二、開關和調(diào)制器三、干涉濾波器基片正確定向，拋光和表面凈化，波導材料薄層附加到基片表面。12Si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。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4-134-1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?，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Tm1412℃，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。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14Si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.金屬板印刷一、波導的制造二、開關和調(diào)制器三、干涉濾波器GaAs（Tm1238℃）類基片技術(shù)生長。區(qū)別：GaAs加熱分解，熔融物上方As蒸汽壓須控制。

BN坩堝，磁場熔融，“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10m，去除切割和成形晶格缺陷。

表面拋光，得優(yōu)于2m平面度。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4-15①沉積②外延生長基片準備好，制備波導膜。方法：

沉積和外延生長。

沉積基片表面1m厚電介質(zhì)或金屬膜：

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：真空鍍膜不同射頻濺鍍法，鍍膜室充N，Ar.

基片靶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.金屬板印刷一、波導的制造二、開關和調(diào)制器三、干涉濾波器①沉積基片準備好，制備波導膜?；?-16基片在鍍膜材料附近，鍍膜室充P10-3-10-2乇Ar2；

鍍膜材料陰極（靶）；基片陽極（圖7-2）。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）。

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。

發(fā)射方向隨機，大量原子飛向基片附著表面。

濺鍍適合金屬靶。

速率依賴靶性質(zhì)，波導層較厚，

長沉積t.陽極陰極基片靶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光波導裝置與應用①沉積②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

4.材料的改性5.刻蝕6.金屬板印刷一、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P10-3-10-2乇Ar2；17A、化學汽化沉積（CVD）——非真空鍍膜：

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；

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光波導裝置與應用①沉積②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

4.材料的改性5.刻蝕6.金屬板印刷一、波導的制造二、開關和調(diào)制器三、干涉濾波器A、化學汽化沉積（CVD）——非真空鍍膜：4-1光在184-1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光波導裝置與應用①沉積②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

4.材料的改性5.刻蝕6.金屬板印刷一、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ZnCdSSenm線實驗裝置圖2ZnxCd1-xSySe1-y

nm線各元素占百分比與處基底位置關系靠近放置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—液—固（VLS）機制半導體合金nm線化學氣相沉積（CVD）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194-1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光波導裝置與應用①沉積②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

4.材料的改性5.刻蝕6.金屬板印刷一、波導的制造二、開關和調(diào)制器三、干涉濾波器圖3x,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-ynm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；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204-1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光波導裝置與應用①沉積②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

4.材料的改性5.刻蝕6.金屬板印刷一、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214-1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光波導裝置與應用①沉積②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

4.材料的改性5.刻蝕6.金屬板印刷一、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。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22非晶膜沉積隨機，無固定晶態(tài)結(jié)構(gòu)。Ⅲ-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：基片有序生長模板，膜與基片參數(shù)匹配；生長材料與基片相同化學成分——同質(zhì)外延；兩種材料不同化學成分——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光波導裝置與應用①沉積②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

4.材料的改性5.刻蝕6.金屬板印刷一、波導的制造二、開關和調(diào)制器三、干涉濾波器非晶膜沉積隨機，無固定晶態(tài)結(jié)構(gòu)。4-1光在介質(zhì)分界面23外延生長可基于蒸汽或液體。后者可<基片Tm實現(xiàn)。5%As+95%Ga混合88℃（<GaAsTm1238℃）熔融，一個As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T<GaAsTm，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光波導裝置與應用外延生長條件：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)。①沉積②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

4.材料的改性5.刻蝕6.金屬板印刷一、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或液體。4-1光在介質(zhì)分界面上反24B、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（0.01-0.03μm/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光波導裝置與應用①沉積②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

4.材料的改性5.刻蝕6.金屬板印刷一、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4-125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：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。

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TEM（透射電鏡）截面圖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光波導裝置與應用①沉積②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

4.材料的改性5.刻蝕6.金屬板印刷一、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26InAsPMQWPL強度與阱數(shù)關系量子阱使量子點有效發(fā)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CdSe量子點放在“量子阱”上，量子阱為媒介間接刺激量子點發(fā)光。發(fā)光二極管效率一倍。

200710Nature

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光波導裝置與應用①沉積②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

4.材料的改性5.刻蝕6.金屬板印刷一、波導的制造二、開關和調(diào)制器三、干涉濾波器InAsPMQWPL強度與阱數(shù)關系量子阱使量子點有27InAsP/InP/InGaP/InP/GaInAsP應變補償MQW（應變多量子阱）激光器

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光波導裝置與應用①沉積②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

4.材料的改性5.刻蝕6.金屬板印刷一、波導的制造二、開關和調(diào)制器三、干涉濾波器InAsP/InP/InGaP/InP/GaInAsP應變補28有些位置空出，雜質(zhì)原子乘虛入，占據(jù)——補空式（a）；

無空位，雜質(zhì)原子通過晶格間隙擴散進基片——填隙式（b）；

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.材料的改性

5.刻蝕6.金屬板印刷一、波導的制造二、開關和調(diào)制器三、干涉濾波器①擴散②離子交換與質(zhì)子交換③離子注入有些位置空出，雜質(zhì)原子乘虛入，占據(jù)——補空式（a）；29基片原子沿與雜質(zhì)原子反方向擴散——向外擴散。向內(nèi)擴散用于制波導裝置；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.金屬板印刷一、波導的制造二、開關和調(diào)制器三、干涉濾波器①擴散②離子交換與質(zhì)子交換③離子注入基片原子沿與雜質(zhì)原子反方向擴散——向外擴散。向內(nèi)擴散用于制波30交換過程：基片和某種材料熔融物。某種活潑離子在基片中濃度比熔融物中高；另種活潑離子在熔融物中濃度比基片中高?；肴廴谖铮蚑（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4-8光波導裝置與應用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.金屬板印刷一、波導的制造二、開關和調(diào)制器三、干涉濾波器①擴散②離子交換與質(zhì)子交換③離子注入交換過程：基片和某種材料熔融物。4-1光在介質(zhì)分界面上反射31掩模對離子起擋板作用，

離子通過開槽運動，開槽區(qū)：Na+脫離基片向熔液擴散；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。向基片擴散

脫離基片向熔液擴散

圖基于離子交換用鈉鈣玻璃（SiO2，Na2O和其他金屬氧化物混合物）制通道波導原理。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.金屬板印刷一、波導的制造二、開關和調(diào)制器三、干涉濾波器①擴散②離子交換與質(zhì)子交換③離子注入掩模對離子起擋板作用，32離子注入——用于半導體摻雜。原理：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，有雙電荷和雜質(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。進入基片離子與基片原子不斷碰撞損失能量。最終某深度停，實現(xiàn)離子注入?；优鲎插e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光纖損耗與色散4-8光波導裝置與應用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.金屬板印刷一、波導的制造二、開關和調(diào)制器三、干涉濾波器①擴散②離子交換與質(zhì)子交換③離子注入離子注入——用于半導體摻雜。原理：進入基片離子與基片原33膜層制好，成形，去除不需材料——刻蝕。去除或刻蝕，依據(jù)純物理或化學過程，可結(jié)合。根據(jù)：是否要求真空和有無用掩模分類。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.金屬板印刷一、波導的制造二、開關和調(diào)制器三、干涉濾波器膜層制好，成形，去除不需材料——刻蝕。早期化學濕刻蝕；34干刻蝕：純物理，物理/化學結(jié)合法。物理法（1）——濺射法：被刻蝕材料原子受離子轟擊從表面發(fā)射。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：直流濺射鍍膜變型。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。4-1光在介質(zhì)分界面35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.金屬板印刷一、波導的制造二、開關和調(diào)制器三、干涉濾波器向基片擴散

脫離基片向熔液擴散

刻蝕需定位。4-1光在介質(zhì)分界面上反射與折射4-2介質(zhì)平板36解決刻蝕深度受掩模限制措施：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.金屬板印刷一、波導的制造二、開關和調(diào)制器三、干涉濾波器向基片擴散

脫離基片向熔液擴散

解決刻蝕深度受掩模限制措施：4-1光在介質(zhì)分界面上反射與折37FIB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：

①串行過程，生產(chǎn)效率受限；②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.金屬板印刷一、波導的制造二、開關和調(diào)制器三、干涉濾波器FIB缺點由活性離子刻蝕（RIE）克服。無掩模選擇性刻38AlTi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）；

對每層分別作塊模板，高精度將二者套準；

光學法將模版上圖案轉(zhuǎn)換到基片；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4-2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.金屬板印刷一、波導的制造二、開關和調(diào)制器三、干涉濾波器工藝：制備一塊掩模板——一片玻璃，覆Cr金屬暗板；印刷方式將此主板拷貝到基片上。

Al制造Ti:LiNbO3方向耦合波導掩模板平39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；

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.金屬板印刷一、波導的制造二、開關和調(diào)制器三、干涉濾波器圖轉(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40結(jié)構(gòu)簡單、使用廣泛波導裝置開關和調(diào)制器。應用：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；

用于t分割多路通信系統(tǒng)高速開關，允許幾個低比特率通道共享同一單模光纖寬頻帶；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；

對稱系統(tǒng)，有相應數(shù)量輸入端。

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。對t分割多路傳輸及信號編碼，開關速度重要。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光波導裝置與應用一、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：開關參數(shù)：41不同形式耦合器各種功能：濾波；偏振選擇。可調(diào)衰減器波導型定向耦合器1.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光波導裝置與應用一、波導的制造二、開關和調(diào)制器三、干涉濾波器不同形式耦合器各種功能：可調(diào)衰減器波導型定向耦合器42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光波導裝置與應用1.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43LiNbO3光調(diào)制器是Mach-Zehnder（馬赫—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MZI行波電極LiNbO3電光調(diào)制器

偏置電極LiNbO3基

Mach-Zehnder波導薄膜耦合器行波電極輸入光纖輸出光纖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光波導裝置與應用1.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)制器三、干涉濾波器LiNbO3光調(diào)制器是Mach-Zehnder（馬赫—曾德爾44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：

N1和N2兩波導有效n.定義：

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光波導裝置與應用1.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)制器三、干涉濾波器歸一化參量方向耦合器由一對相距近相同條狀波導組成。集成光波導45缺點：無外加V實現(xiàn)渡越，互作用長度L精確=耦合長度整數(shù)倍，制造難；

L相當于Lc（耦合長度）若干倍，要求L較大，需高驅(qū)動V.表現(xiàn)狀態(tài)：要求導通與開啟態(tài)間有小串擾開關，第一問題嚴重，L’≠nL調(diào)制器（n整數(shù)），導通態(tài)高損耗；

低V下高速調(diào)制，第二問題嚴重，

電極間隙使要求驅(qū)動V.

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光波導裝置與應用1.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)制器三、干涉濾波器缺點：表現(xiàn)狀態(tài)：4-1光在介質(zhì)分界面上反射與折射4-2介質(zhì)46波導濾波器單模波導濾波器重要元件用于多路通信系統(tǒng)長歷史。濾波器參數(shù)：中心；通帶寬度；峰值濾波效率；旁瓣等級和電氣可調(diào)諧性。

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光波導裝置與應用1.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)制器三、干涉濾波器波導濾波器單模波導濾波器重要元件用于多路通信系統(tǒng)長歷史。47波導濾波器濾波帶寬取決應用：使容差最小，用寬帶濾波器；

有很好控制源多路通信，要求濾波器窄帶寬。

對系統(tǒng)設計者，能有效覆蓋較大帶寬范圍濾波器重要。

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光波導裝置與應用1.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)制器三、干涉濾波器波導濾波器濾波帶寬取決應用：4-1光在介質(zhì)分界面48干涉型光開關X交叉型圖干涉濾波器。兩臂長度不等Y形分叉干涉儀，分束器和復合器有與干涉調(diào)制器相應器件同樣功能。MD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光波導裝置與應用一、波導的制造二、開關和調(diào)制器三、干涉濾波器

干涉型光開關X交叉型圖干涉濾波器。MD型4-49另干涉濾波器圖，兩臂物理長度等，光學路徑長不同。定向耦合器型光開關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光波導裝置與應用一、波導的制造二、開關和調(diào)制器三、干涉濾波器

另干涉濾波器圖，兩臂物理長度等，光學路徑長不同。定向耦合器型50ThankYou!SchoolofPhysicsandMicroelectronicsScienceThankYou!SchoolofPhysics51SchoolofPhysicsandMicroelectronicsScienceSchoolofPhysicsandMicr52SchoolofPhysicsandMicroelectronicsScienceSchoolofPhysicsandMicr53

湖南大學2016年3月SchoolofPhysicsandMicroelectronicsScience

光電子學第四章光輻射在介質(zhì)波導中的傳播

第十七講湖南大學SchoolofPhysicsandMic54問題一：光纖的損耗有哪幾種?吸收損耗：

本征吸收損耗，紫外區(qū)吸收，電子躍遷引起；

紅外區(qū)吸收，晶格振動及多聲子過程引起；

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，瑞利散射，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；越長，損耗越大；第十六講要點回顧問題一：光纖的損耗有哪幾種?吸收損耗：55問題二：什么是光纖的色散？

第十六講要點回顧問題二：什么是光纖的色散？第十六講要點回顧56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？引起色散：材料色散，波導色散，模間色散；

模內(nèi)色散：材料色散與波導色散（單模光纖）；模間色散（多模光纖）。

第十六講要點回顧問題三：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57問題四：材料色散主要由什么決定？第十六講要點回顧問題四：材料色散主要由什么決定？第十六講要點回顧58問題五：波導色散主要由什么決定？波導色散：光纖幾何特性使信號相位和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時延差致波導色散；

波導色散：與尺寸（線經(jīng)a）有關；與有關；a一定，越長，波導色散越嚴重（短相反），與材料色散相反。第十六講要點回顧問題五：波導色散主要由什么決定？波導色散：光纖幾何特性使59問題六：模間色散主要由什么決定？第十六講要點回顧問題六：模間色散主要由什么決定？第十六講要點回顧60光輻射在介質(zhì)波導中的傳播4§4-7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光波導裝置與應用光輻射在介質(zhì)波導中的傳播4§4-7光纖損耗與61第十五講要點波導制造方法及改性干涉濾波器132光開關和調(diào)制器第十五講要點波導制造方法及改性干涉濾波器1326220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光波導裝置與應用一、波導的制造二、開關和調(diào)制器三、干涉濾波器介紹波導（1）制造工藝、（2）裝置結(jié)構(gòu)、（3）主要性能、

（4）應用。20世紀60年代早期光波導現(xiàn)象，理論發(fā)展，裝置問世。部分634-1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光波導裝置與應用一、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：

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；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64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。兩技術(shù)都派生不同方法，各具優(yōu)點?；|(zhì)表面性質(zhì)通過擴散或注入不同類物質(zhì)變。

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)。

光刻：材料沉積，

材料去除。1.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?？諝?，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、波導的制造二、開關和調(diào)制器三、干涉濾波器基片正確定向，拋光和表面凈化，波導材料薄層附加到基片表面。65Si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。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4-664-1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