集成光波导
(集成光电子学导论)第六章常见光波导材料与结构
1 cm = 10 000 微米
1、空气净化
From Intel Museum
三道防线: ✓环境净化（clean room） ✓材料清洗（wafer cleaning） ✓吸杂（gettering）
光电所
• 投资4000万元的光电子学研究所实验大楼坐落在深圳大学文山湖畔。这是 一座设施先进、功能完善、配套齐全、专业化水准高的现代化实验大楼，总 面积8200平方米，其中有1200平方米的百级和万级净化实验室，有电子级超 纯水制备系统、各种特殊气体的供送系统以及相应的安全保障和环保设施等。 投资6000万元购置的先进科研仪器设备，构建了显微分析、光谱分析、超快 诊断技术、光电子材料、生物光子学、等离子体显示、应用光学、电子学等 10多个测试实验室和真空光电子器件、半导体光电子材料与器件、平板显示 器件、有机电致发光材料、纳米光电子材料等10多个工艺实验室。主要大型 仪器设备有：金属有机化合物气相沉积（MOCVD）系统、微波等离子体增 强化学气相沉积（MPECVD）系统、等离子体增强化学气相沉积（PECVD） 系统、磁控溅射系统、反应离子刻蚀机、光刻机、高精度丝网印刷机、大型 高精度点胶机、高精度喷砂机、多功能镀膜机、扫描探针显微镜、扫描电子 显微镜、台阶轮廓测试仪、三维视频显微镜、真空紫外单色仪、紫外/可见/近 红外光谱仪、飞秒激光器、皮秒激光器、荧光光谱测试仪、激光拉曼谱仪、 高分辨X射线衍射仪、变磁场霍尔测试仪、多光子激发荧光显微成像系统、高 速示波器、逻辑分析仪和数字电路开发系统等，以及光学设计分析、多物理 场分析等大型软件。这些硬件条件，为建设一流的光电子学研究所奠定了坚 实的基础。
半导体激光器，探测器，放大器， 电光调制器
目前最好的电光调制器，声光调制 器
一种基于SOI的集成光波导耦合系统的设计与制备
当光纤 的归一化 频率 Ｖ＜ ．０ ２ ４５时 ， 纤 以单模 光
模式传输 。光 纤 的半 径逐 渐 减 小 时 ， 纤 轴上 光 强 光
逐渐增 大 ， 能量越来 越集 中 ； 光 当半 径减小 到某一 值
项 目来 源 ： 国家 ９ ３ ｔ￣前 期 研 究 专 项 （０ ９ Ｂ ２ ２０ ； 家 自然 科 学 基 金 项 目（ ０７ ２ ６ ６ ７７ １ ，０ ７ ０９ ； 点 实 验 ７ －ｑ ｉ： ２０ Ｃ ３６ ０ ） 国 ５９ ５６ ，０ ００ ４ ６ ７ ８２ ） 重 室 基 金 项 目 （１０ １０ ００ ０ ） 总 装 创新 项 目（ １０ ０ ） 山 西省 自然 科 学 基 金 项 目 （０ ０ １０ ３ ； 西 省 研 究 生 ９ ４ ｃ２４ ４ ９９ ； ７ ３９ ７ ； ２ １０ １０ ） 山
３ ２
Ｏ
Ｏ
Ｏ
Ｏ
０
锥形 光纤 中的光传输将 由导 波场传输 变为倏逝 场传 输 。使 用 Ｂ Ａ Ｒ Ｐ软件 仿 真 锥形 光 纤 和平 面环 Ｅ ＭＰ Ｏ
形微 腔的耦 合 系统 。 图 １中 Ａ 曲线 表示 输 入 光 纤 的光的场强 ， Ｂ曲线 表示 输 出的光 场 强 。我 们可 以 看 出 ， 以倏 逝波 的形式从 光纤不断 的耦合 进微腔 。 光 其中， 耦合 间距 和微 腔 尺 寸也 是 影 响耦合 效 率 的重 要参 数 ， 我们 通过实 验 测得 其 与耦 合 效率 的关 系如
Ｅ Ａ Ｃ：２ ０ Ｅ Ｃ ７３
ｄ ｉ１ ．９ ９ ｊ ｉ ｎ １ ０ — ６ ９ ２ １ ． ６ ０ ２ ｏ ：０ ３ ６ ／．ｓ ． ０ ４ １ ９ ． ０ １ ０ ． １ ｓ Nhomakorabea一
集成光波导
Pin/2
23
Multiport splitters can be constructed by cascading 2-port couplers as indicated schematically below:
1 x 8 Coupler
24
4.6.2 有源器件
▪ 有源器件按其功能可分为两类：
21
For the ideal coupler, the coupling to port 4 (the isolated port) is zero. Thus,
10 log P4/P1 = 10 log 0 = -
22
An integrated optic power splitter is constructed with the waveguide pattern indicated below:
图4.5 对称平板波导的
模
式
图
1
4.5.1 波导色散
▪ 随波长的变化，有效折射率neff与折射率n一样会导致脉冲展
宽。在通常情况下，材料是色散的，因此波导色散与材料色 散会同时存在。
图4.5 对称平板波 导的模式图 (n1=3.6,n2=3.5 5)
2
4.5.1 波导色散
▪ 由波导色散所引起的脉冲展宽幅度与材料色散所导致的脉冲
图4.24 电光开关
26
As in the passive coupler, the power distribution is given by:
P2/P1 = cos2 (pL/2Lc) P3/P1 = sin2 (pL/2Lc) L is the interaction length and Lc is the coupling length.
集成光波导制造技术
N1>N2
n1<n2
n2
4.3 降低载流子浓度形成波导
定量表达式如下：
Ne n = n0 − * 2 2nε 0 m ω
n : N : 折射率 单位体积内自由载流子的数目
2
（4.4）
所以有：
(N3 − N2 )e2 ∆n = n2 − n3 = 2n2ε0m*ω2
（4.5）
4.3 降低载流子浓度形成波导
目录
4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7
薄膜淀积 替位式掺杂 降低载流子浓度形成波导 外延生长 电光波导 氧化 沟道波导的制造方法
4.7 沟道波导的制造方法
利用刻蚀的方法制造脊波导 波导层 衬底 光刻胶 步骤1：利用前面介绍的工 艺方法制造出平板波导。
步骤2：在波导层上均匀涂 上光刻胶，掩模，UV曝光。
步骤3:显影。
步骤4：对未受保护 区域进 行刻蚀，然后去除表面光刻 胶。
4.7 沟道波导的制造方法
刻蚀：把材料未掩模部分选择性地去掉。 湿法刻蚀---用化学溶液腐蚀无胶保护的膜，生成溶于水的副产物。 优点∶简单，成本低，选择比高。 缺点∶各向异性差，气泡阻碍，小线条速率慢，有底膜区难腐蚀。 方式∶浸没式、喷淋式。 干法刻蚀---用等离子体等方法选择刻蚀。 优点∶各向异性腐蚀,横向腐蚀小，适合刻细线条。 缺点∶设备复杂、成本高，表面有一定的损伤。 方式∶高压等离子体、反应离子刻蚀（RIE）、高密度等离子体（HDP）、 离子束刻蚀（IBE）
4.4 外延生长
下图为利用气相外延（VPE）生长的Ga(1-x)AlxAs多层波导
n2 n3
Ga(1-x)AlxAs Ga(1-y)AlyAs
guide layer confining layer
《集成光波导》课件
在光通信、光传感、医学检测等领域有重要的应用价值。
3 展望集成光波导的未来发展趋势
将继续向超高速率、超长距离、高可靠性、低能耗等方向迈进。
4
通过激光处理获得所需的光波导纹理。
分立器法
将芯片分离出来再进行加工组装。
定向凝固法
将溶液导入反应腔体中，通过凝固实现 制备。
集成光波导的应用
光通信
将各种功能的光模块一同集 成，可大大降低光通信系统 的成本。
光传感
可用于温度、压力、光强等 物理量的测量传感。
生物医学领域
可用于医学检测、实验室研 究等方面。
发展现状与前景
集成光波导的发展历程
自1980年代初期，集成光波导的 性能与可靠性都得到了突破性发 展。
集成光波导的未来发展方向 集成光波导的应用前景
超高速率、超长距离、高可靠性、 低能耗。
在医学检测、光学成像、传感器 等领域具有广泛的应用前景。
总结
1 集成光波导的优缺点
高集成度、小型化、高性能、低成本，但也有加工难度大和生产周期长等缺点。
集成光波导
本次PPT将详细讲解集成光波导的定义、基础知识、制备方法、应用前景及未 来发展趋势，希望能为您了解光波导技术提供帮助。
概述
1 光波导的定义
光波导是指导波不断变化而传输的一种光学器件。
2 集成光波导的概念
将微波电路、光学波导、探测器等元件集成在一起，构成一个小型化光通信接口的技术。
3 集成光波导的优势
具有高集成度、小型化、高性能、低成本等优势。
基础知识
光波导的类型
光波导的基本结构
有单模光纤和多模光纤两种类型。
是由高折射率材料的核心层和低 折射率材料的包层构成。
集成光波导
集成光波导型(AWG )以光集成技术为基础的平面波导型波分复用器件，具有一切平面波导的优点，如几何尺寸小、重复性好（可批量生产）、可在掩膜过程中实现复杂的支路结构、与光纤容易对准等。
目前集成波导型的波分复用器件有多种实现方案，其中以龙骨型的平面波导应用最多。
它由二个星形耦合器与M 个非耦合波导构成，不等长的耦合波导形成光栅而具分光作用，两端的星形耦合器由平面设置的二个共焦阵列波导组成。
如图3.2.2所示。
（1）．AWG 的优点 ①．分辨率较高。
②．高隔离度 ③．易大批量生产。
因为具有高分辨率和高隔离度，所以复用通道的数量达32个以上；再加上便于大批量生产，所以AWG 型的波分复用器件在16通道以上的WDM 系统中得到了非常广泛的应用。
(2)．AWG 的缺点插入衰耗较大，一般为6~11dB 。
带内的响应度不够平坦。
4．光栅型光栅型波分复用器件属于角色散器件。
当光入射到光栅上，由于光栅的角色散作用可以使不同波长的光信号以不同的角度出射，[url=/]魔兽sf[/url]然后可再用自聚焦透镜把光信号会聚到不同的光纤中输出，如图3.2.3所示。
（1）．光栅型波分复用器件优点 ①．高分辨率3.2.2图：AWG 波分复用器件其通道间隔可以达到30GH Z以下。
②．高隔离度其相邻复用光通道的隔离度可大于40 dB。
③．插入衰耗低大批量生产可达到3~6dB，且不随复用通道数量的增加而增加。
④．具有双向功能，即用一个光栅可以实现分波与合波功能。
因此它可以用于单纤双向的WDM系统之中。
正因为具有很高的分辨率和隔离度，所以它允许复用通道的数量达132个之多，故光栅型的波分复用器件在16通道以上的WDM系统中得到了应用。
（2）．光栅型波分复用器件的缺点①．温度特性欠佳其温度系数约为14pm /°C。
因此要想保证它的中心工作波长稳定，在实际应用中必须加温度控制措施。
②．制造工艺复杂，价格较贵。
5．光纤布喇格光栅型（FBG）利用紫外线光干涉的方法可以在光纤芯中形成所谓布喇格光栅。
(集成光电子学导论)第六章常见光波导材料与结构
芯层/包层材 料
Ge:SiO2 /SiO2 Si/SiO2
芯层/包层折 射率差 0-0.5%
50-70%
损耗dB/cm @1550nm 0.05
0.1
3.2
inP、GaAs/ ~100%
3
空气
2.2
Ag(Ti):LiNbO 0.5%
0.5
3/ LiNbO3
1.3-1.7
都是聚合物， 0-35%
0.1
不同材料矩形单模波导的宽度
SiO2：n=1.44 Ge： SiO2：n=1.45
两种波导的 优缺点？
SiO2：n=1.44
5~6 μm
220nm
30~40μm
Si： n=3.4
500nm
做出的器件尺寸大，但与光 纤耦合损耗很小
做出的器件尺寸很小，但与 光纤耦合损耗大
如希望对光纤耦合损耗小：不同材 料的光波导结构
靠配比改变
折射率差
波导折射率与模式
n2 θc
n1
n2
sin c
n2 n1
同样厚度 的硅波导 和二氧化 硅波导哪 个能有更 多模式？
为什么通常希望 波导厚度与模使式用单模波导？
Helmholtz equation:
[ 2 xk0 2n22]U (x)0
x nclad ncore nclad
n nclad ncore
平面光波导的类型
1-d 光限制
cladding core
nlow nhigh
cladding
nlow
平板波导
氧化硅、聚合物
2-d 光限制 硅、三五族
core
nlow
nhigh
cladding
生长硅基siox集成光波导材料_概述说明以及解释
生长硅基siox集成光波导材料概述说明以及解释1. 引言1.1 概述生长硅基SiOx集成光波导材料是一种在光通信领域应用广泛的材料。
它具有优秀的光学性能和可靠的物理特性，因此被广泛用于集成光学器件和集成光电子设备中。
本文将对生长硅基SiOx集成光波导材料进行全面的概述，包括其生长方法、材料特性以及在光通信领域的应用。
1.2 文章结构本文主要分为五个部分。
首先，在引言部分，我们将概述生长硅基SiOx集成光波导材料的研究背景和意义。
接着，在第二部分，我们将详细介绍生长硅基SiOx 集成光波导材料的方法以及其相关特性。
然后，在第三部分，我们将对生长硅基SiOx材料的发展历程、在光通信领域的应用以及其未来前景进行概述说明。
接下来，在第四部分，我们将解释在生长硅基SiOx集成光波导过程中所面临的挑战，并提出相应的解决方案和技术创新。
最后，在第五部分，我们将总结本文的主要观点，并对未来发展提出展望和建议。
1.3 目的本文的目的是全面介绍生长硅基SiOx集成光波导材料以及其在光通信领域中的应用。
通过对该材料的概述说明和解释挑战与解决方案，读者可以更好地理解该材料的特性和优势，并了解到在光通信领域中进一步推动其应用所需采取的策略。
这将有助于促进该材料在光学器件领域的发展，并为未来开发更高性能、更可靠的集成光电子设备奠定基础。
2. 生长硅基siox集成光波导材料2.1 生长方法：生长硅基siox集成光波导材料通常采用化学气相沉积(CVD)方法。
CVD是一种常用的生长方法，通过控制气相中气体的流量和反应温度，使其在硅基衬底上形成薄膜。
在CVD过程中，通常使用有机金属前驱物（如TES、TEOS等）作为硅源。
这些前驱物被分解后，在衬底表面沉积出富含硅的薄膜。
同时，通过加入适当的掺杂剂（如Be、P等）可以实现杂质掺杂，以调节siox材料的性能。
2.2 硅基siox材料特性：生长硅基siox集成光波导材料具有多种特性。
首先，它具有极高的折射率，使其能够有效地限制光信号在波导内部传播，并提供较高的耦合效率。
第4章集成光波导1-2
7
§4.2 对称平板波导中的模式
▪ 图中画出了两个波的传播因子。图中被导波的净传播方向
是在水平方向上。传播因子在这个方向上的分量为：
k sin k0n1 sin.......... .......... .....4.3
▪ 通常称之为纵向传播因子。
k0
nneeffffckk00...k..0.n..1k.s.0i.n........n. 1..s.i.n...............................................44..67
▪ 对于波导中光的传播，等效折射率是一个关键参数，正如折
射率在非导向波传播中所起的作用。
图4.3 传输模式在Z字形路径上 的一个周期。波的相位沿传输路 径以及在反射面上发生变化。
§4.2 对称平板波导中的模式
——4.2.2 TE偏振和TM偏振
▪ 处理平面边界上的反射问题时，一般将其分解成两种可能的
偏振形态：电场强度矢量垂直于入射平面和平行于入射平面。
▪ 如图yz为入射面。电场指向x轴方向对应于垂直偏振，或称为
3
§4.1 电介质平板波导
▪ 电介质平板波导的结构如图4.1。电磁波主要在中间层传播，
其折射率为n1。中间层通常很薄，一般小于一个微米，称 为薄膜。薄膜夹在折射率分别为n2和n3的敷层与衬底之间。
▪ 光线通过内全反射被束缚在中心薄膜之中。只有当n2和n3都
小于n1时，才会发生内全反射。
图4.1 电介质波导 （n1>n2,n1>n3)
1
第4章 集成光波导
——在一个集成光网络中，光通过矩形电介质波导 在各个元件间传输。平板光波导在集成光学中的作 用与光纤相似，本章将研究光在平板波导中的传播 规律。学习光在平板波导中的传播特性有助于理解 光在光纤中的传播。
中国空空导弹研究院集成光波导陀螺在空空导弹的应用展望
中国空空导弹研究院集成光波导陀螺在空空导弹的应用展望摘要：陀螺技术是现代空空导弹惯性导航系统研制的关键。
本文简要介绍了集成光波导陀螺的原理，并对国内外发展现状进行概述。
根据空空导弹惯性导航系统的特点，展望了集成光波导陀螺在未来空空导弹中的应用前景。
关键词：空空导弹；惯性导航…第３Ｏ卷第９期２０１５年９月宿州学院学报ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｕｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＶＯ１．３Ｏ，ＮＯ．９Ｓｅｐ．２０１５ｄｏｉ：１０…英语中元音字母的重要性要根据元音字母的读音进行归纳。
Are you ready？张：Yes，of course．我先归纳含有a 的各种读音的词。
1．开音节中a读／ei／，这类词可多啦：baby，date，famous，favorite，lady，…摘要：陀螺技术是现代空空导弹惯性导航系统研制的关键。
本文简要介绍了集成光波导陀螺的原理，并对国内外发展现状进行概述。
根据空空导弹惯性导航系统的特点，展望了集成光波导陀螺在未来空空导弹中的应用前景。
关键词：空空导弹；惯性导航系统；集成光波导陀螺；光波导谐振腔中图分类号：TJ765；TN25文献标识码：A文章编号：1673-5048（2016）01-0045-05Abstract：Gyroscope technology is the key to the development of inertial navigation system for airtoair missile. The theory and development of integrated optical waveguide gyroscope are introduced briefly. According to the characteristics of inertial navigation system in airtoair missile，the application prospect of integrated optical waveguide gyroscope is presented.Key words：airtoair missile；inertial navigation system；integrated optical waveguide gyroscope；optical waveguide resonator0引言空空导弹作为现代空战的主战武器，其性能水平的高低成为空战胜负的重要因素。
光波导基础知识
光波导（optical waveguide）是引导光波在其中传播的介质装置，又称介质光波导。
光波导有两大类：一类是集成光波导，包括平面（薄膜）介质光波导和条形介质光波导，它们通常都是光电集成器件（或系统）中的一部分，所以叫作集成光波导；另一类是圆柱形光波导，通常称为光纤（见光学纤维）。
传输特性光波导是引导可见光段中的电磁波的物理结构。
常见类型的光波导包括光纤和矩形波导。
光波导可用作集成光路中的组件或用作本地和长途光通信系统中的传输介质。
光波导可根据其几何形状（平面、条带或光纤波导）、模式结构（单模、多模）、折射率分布（阶梯或梯度折射率）和材料（玻璃、聚合物、半导体）进行分类光纤的传输衰减很小，频带很宽。
例如，在1.5微米波段衰减可小到0.2分贝/公里，频带宽达108/公里数量级（多模光纤）或109赫/公里数量级（单模光纤），如此优良的性能是其他传输线难以达到的，因而光纤可用于大容量信号的远距离传输。
薄膜波导和带状波导传输特性及其分析与光纤类似。
由于它们主要用来构成元件，对传输衰减与频带要求并不严格。
严格求解光波导中的电磁场的矢量解较为困难，故通常用标量近似法、射线法等近似解法分析其传输特性，包括各个模式的场分布、色散以及模式之间的耦合等。
实际应用的矩形几何光波导最容易理解为理论介质平板波导，也称为平面波导的变体。
平板波导由具有不同介电常数的三层材料组成，在平行于它们的界面的方向上无限延伸。
光可以通过全内反射限制在中间层中。
仅当中间层的介电指数大于周围层的介电指数时才会发生这种情况。
在实践中，平板波导在平行于界面的方向上不是无限的，但是如果界面的典型尺寸远大于层的深度，则平板波导模型将是非常接近的。
平板波导的引导模式不能被从顶部或底部界面入射的光激发。
光线必须从侧面注入中间层。
或者可以使用耦合元件将光耦合到波导中，例如光栅耦合器或棱镜耦合器。
引导模式中的一种模式是平面波来回反射的中间层的两个接口之间，入射角在光的传播方向和平行的或垂直的方向之间，在材料界面更大过临界角。
实验三：集成波导马赫-曾德尔干涉仪
实验三：集成波导马赫-曾德尔干涉仪一、实验目的：1．掌握MZI 的干涉原理2．掌握MZI 干涉仪的基本结构和仿真方法 二、实验原理：MZI 干涉原理基于两个相干单色光经过不同的光程传输后的干涉理论。
MZI 主要由前后两个3dB 定向耦合器和一个可变移相器组成。
最终使不同的两个波长分别沿两个不同的端口输出。
其结构示意图如下所示：图1 MZI 干涉原理简图马赫－曾德干涉结构可用做光调制器，也可用做光滤波器。
1、马赫－曾德干涉仪的分光原理：设两耦合器的相位因子分别为12,ϕϕ,当干涉仪一输入端注入强度为0I (以电场强度表示为0E )光波时，可以推出两个输出端的光场强度12,I I (以电场强度分别表示为12,E E )分别为：2222110121222222201212cos ()sin(2)sin(2)sin (/2)sin ()sin(2)sin(2)cos (/2)I E E L I E E L ϕϕϕϕβϕϕϕϕβ⎡⎤==++⎣⎦⎡⎤==-+⎣⎦式中，β为传输常数；12∆=-L L L 为干涉仪两臂的长度差，它在干涉仪两臂之间引入的相位差：2/2/∆=∆=L n L C F βπυπυ。
（υ为光的频率；n 为光纤纤心的折射率：C 为真空中的光速；/=∆F C n L 为马赫一曾德干涉仪的自由程。
当构成干涉仪的两耦合器均为标准的3 dB 耦合器(即分光比为1：1)时，两耦合器的相位因子为045，可以得到干涉仪输出端的强度传输系数分别如下：[][]2111200222220011cos(2/)211cos(2/)2===-===+E I T F I E E I T F I E πυπυ 图2给出了强度传输系数随输入光频率的变化曲线：图2 马赫－曾德干涉仪强度传输系数随频率变化曲线从图2可以看出，两个输出端的强度传输系数正好是反相的，也就是说，当在干涉仪的一个输入端注入单一频率的光波时，调节干涉仪使一个输出端输出光强度达到最大时，则另一输出端输出光强度将达到最小。
光波导理论
n2 N1
n2
a
a<
l
2 N12 n22
（8）
则此时也只能传输基侧模。
22
3、纵模控制： 在基横模条件满足下，由公式（6）
mnp
m
m L1
2
n L2
2
p L3
2
可知道纵向模式决定了光谱分布：
fp
pc 2neff L
模式间隔：
f c 2neff L
p=1,2,3…… （9）
17
（一）激光器选模理论
x
2E k2E 0
用分离变量法，令
L1
E(x, y, z) X (x)Y ( y)Z (z)
L2
将亥姆霍兹方程 分解为三个方程
y
d2 dx2
X
k
2 x
X
0
d2 dy 2
Y
k y2Y
0
d2 dz 2
Z
kz2Z
0
kx2 ky2 kz2 2m k2 （2）
L3
（1）
23
一般介质中的增益-频率特性是呈抛物线型。结 合基横模控制条件，只有增益系数大于损耗的模式 才能振荡；再结合纵模控制条件，有几个分立的纵 模可以被选中。
, ky
p
L3
(4)
m, n, p 0,1, 2……
把（4）代入 kx2 ky2 kz2 2m k2 得谐振波
频率为：
mnp
m
m L1
2
n L2
2
p L3
2
（5）
每一组（m, n, p）值，有一对独立偏振波模。
20
通常要求激光器工作于基横模单纵模条件下：
1、垂直横模的控制： 把源区和包层看成对称三层平面波导结构，按驻 波形成条件，以及横模m=1被截止的条件得：
集成光波导微型脉冲电场传感技术的研究
集成光波导微型脉冲电场传感技术的研究集成光波导微型脉冲电场传感技术的研究引言：随着信息技术的发展，传感技术在各个领域得到了广泛应用，能够实时、精准地对环境参数进行监测和控制。
其中，脉冲电场传感技术是一种便捷、灵敏度高、响应速度快的方法。
然而，传统的脉冲电场传感技术存在着灵敏度低、体积大、复杂等问题，难以满足现代高度集成、迷你化的要求。
因此，集成光波导微型脉冲电场传感技术的研究成为当前的热点。
一、光波导微型脉冲电场传感技术原理光波导微型脉冲电场传感技术是将光波导技术与脉冲电场传感技术相结合，通过光波导芯片中的材料能隙等电场敏感特性来实现电场的感测。
具体来说，当电场作用于光波导芯片时，电场引起材料的折射率变化，造成经过光波导芯片的光的相位差和幅度变化。
通过测量这些变化，即可得到电场的强度信息。
二、集成光波导微型脉冲电场传感技术的优势相比传统的脉冲电场传感技术，集成光波导微型脉冲电场传感技术具有以下优势：1. 高度集成化：集成光波导微型脉冲电场传感技术将传统传感器中庞大的电路集成到微型芯片中，使体积大大减小，能够满足如今对于迷你化的要求。
2. 灵敏度高：光波导芯片中的材料具有高灵敏度的特性，能够对微弱的电场进行准确的测量和感测。
3. 响应速度快：由于光波导芯片中的光传输速度非常快，所以集成光波导微型脉冲电场传感技术具有较快的响应速度。
4. 安全可靠：光波导芯片中采用非接触式的传感方式，不会对被测电场产生干扰，同时也减少了因传感器工作时电场的存在而导致的意外事故的发生。
三、集成光波导微型脉冲电场传感技术的应用前景集成光波导微型脉冲电场传感技术在军事、通信、航天等领域具有广阔的应用前景。
以军事领域为例，现代军事装备对电场的感测要求越来越高，而传统的电场传感器无法满足高度集成和迷你化的要求，因此集成光波导微型脉冲电场传感技术的出现将极大地推动军事装备的现代化和智能化。
另外，该技术还可用于通信领域的光路监测、航天研究中的电场探测等。
SOI集成光波导器件的基础研究
SOI集成光波导器件的基础研究随着光通信和光电子技术的飞速发展，集成光波导器件在光信息处理、光传感、光互联等领域具有广泛的应用前景。
在各种集成光波导器件中，基于硅基材料的光波导器件因其在高速、低损耗、抗电磁干扰等方面的优势，成为当前的研究热点。
本文将介绍SOI（Silicon-on-Insulator）集成光波导器件的基础研究，包括其应用领域、研究现状、存在的问题以及未来研究方向。
SOI集成光波导器件是一种基于硅基材料的光波导器件，其结构是在硅基衬底上制备一层硅膜，从而实现光波在硅膜中传播。
由于硅材料的折射率较高，且具有成熟的集成电路制造工艺，因此SOI集成光波导器件具有体积小、集成度高、速度快、功耗低等优点。
目前，SOI集成光波导器件已成为光子集成领域的重要研究方向之一。
SOI集成光波导器件的研究方法主要包括实验设计和理论分析。
实验设计包括光波导结构的设计、材料的选取和制备、器件的性能测试等环节。
理论分析则通过建立物理模型，运用数值模拟方法对光波导的传输特性进行预测和优化。
尽管这两种方法在SOI集成光波导器件的研究中具有重要应用价值，但也存在一些问题。
例如，实验设计往往需要大量的时间和资源，而且可能受到制备工艺和测试设备的限制；而理论分析则可能因为物理模型的不准确或者数值模拟方法的局限性而导致结果与实际情况存在偏差。
近期，我们开展了一系列SOI集成光波导器件的研究工作，并取得了一些有意义的实验结果。
在实验中，我们设计并制备了一种基于硅基材料的SOI光波导器件，通过对器件的传输特性进行测试，发现该器件具有低损耗、高稳定性等优点。
我们也发现该器件的传输性能受到材料制备工艺和环境因素的影响较大，这为进一步优化器件性能提供了重要参考。
SOI集成光波导器件的基础研究在光通信、光信息处理、光传感等领域具有重要的应用价值。
当前的研究成果表明，SOI集成光波导器件具有广阔的发展前景。
然而，仍然存在一些挑战和问题需要解决，如提高器件的稳定性、降低制备成本、优化器件的设计和制造工艺等。
《集成光波导》课件
测试设备
插入损耗
指集成光波导传输过程中产生的光功率损耗，是评估光波导性能的重要参数。
带宽
指集成光波导传输光谱的范围，是衡量光波导传输性能的重要指标。
偏振相关损耗
指集成光波导对不同偏振态光波的损耗差异，是评估光波导性能的重要参数。
弯曲损耗
指集成光波导弯曲时产生的光功率损耗，是评估光波导性能的重要参数。
将未反应的光敏材料去除，留下光波导结构。
硬化
使光波导结构更加稳定和坚固。
检测
对制造完成的光波导进行检测，确保其性能符合要求。
04
CHAPTER
集成光波导的性能测试与评估
包括光谱分析仪、光功率计、光波长计等，用于测量集成光波导的传输光谱、功率和波长等参数。
采用透射或反射方式，对集成光波导进行测试，获取其传输性能数据。
集成光波导是一种特殊的光波导结构，它可以将光波限制在微小的空间范围内，实现光波的传输和控制。与传统的光纤相比，集成光波导具有更高的集成度，更低的传输损耗，并且可以与微电子器件实现无缝集成。这些特点使得集成光波导在光通信、光学传感、光计算等领域具有广泛的应用前景。
详细描述
集成光波导在光通信、光学传感、光计算等领域具有广泛的应用。
集成光波导是一种将光波导集成在硅基材料上的微型光学器件。
通过在硅基材料上刻蚀出特定的形状和结构，可以形成具有特定功能的光波导器件，如光调制器、光开关、光滤波器等。
通过优化设计，可以提高集成光波导的传输效率、减小损耗、提高器件的稳定性和可靠性。
常用的设计方法包括物理光学法、传输矩阵法、有限元法等，可以根据具体需求选择合适的设计方法。
《集成光波导》ppt课件
目录
集成光波导概述集成光波导的基本原理集成光波导的制造工艺集成光波导的性能测试与评估集成光波导的应用案例集成光波导的未来展望与挑战
集成光学第三章 矩形(三维)光波导
沿x方向的平板波导
d2X dx2
nx2 k02
2 x
X 0
沿y方向的平板波导
d 2Y dy2
n
2 y
k02
2 y
Y 0
2
2 x
2 y
n12k02
➢ 至此，矩形波导的分析（包括本征值 和场分布等） 可以通过沿x方向和沿y方向的两个平板波导的分析得 出结论。
马卡梯里近似解法
16
➢ 由于Y y 是 Ex x, y 沿y方向的分布函数，沿x方向偏
振，所以对于y方向的平板波导，相当于TE模
n2 y
TE模的波动方程
②
x
n1
b
2
Ex
y2
y
n2k02 2
Ex y 0
①
b Y y 相当于Ex y，所以满足
④
n4
d2Y y dy2
n2y k02
0，
z
i
，电场和磁
Ez y
i0 H x
i Ex
Ez x
i0H y
Ex y
i0 H z
H z y
i
Hy
i Ex
i Hx
H z x
0
H y x
H x y
i Ez
➢ 将磁场用电场表示
Hx
1
i0
Ez y
Hy
1
i0
i
Ex
Ez x
Hz
1
i0
E x y
马卡梯里近似解法
9
➢ 利用麦克斯韦方程组中电场的散度方程 D 0 可以
6
➢ 在矩形波导中，严格的TE模和TM模不存在，但是有 两类模式能够近似地满足波动方程和边界条件：
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集成光波导
姜雨萌
12204107
集成光学是关于如何在基片上构造光器件与光网络的学科，与电子集成电路技术相类似。
通常，也用集成光电子学与集成光子学来描述这个领域。
光子学本身就是光学与电子学相结合产生的学科。
集成光学提供将光器件与电器件组合在同一衬底上，以便制造出具有特定功能的系统或子系统知识。
集成光器件的尺寸通常在光波长量级，并且具有集成电路的许多优点，如工作稳定、尺寸小以及潜在的低成本。
利用集成光学技术，可以设计完整的光发送机、接收机以及中继器，通过光纤实现长距离的光互连。
电磁波主要在中间层传输，其折射率为n1。
中间层通常很薄，一般小于一个微米，称为薄膜。
薄膜夹在折射率分别为n2和n3的敷层与衬底之间。
光线通过内全反射被束缚在中心薄膜中。
只有当n2和n3都小于n1时才会发生内全反射。
可求得衬底界面上的临界角为 1sin 2n n c =θ, 敷层界面上的临界角可由下式求出1
3sin n n c =θ。
中心薄膜的不均匀性也会使光产生散射从而增加损耗。
为了有效地传播光信号，材料的吸收损耗必须很低。
对n2=n3的对称结构，我们尤其感兴趣，因为这与光纤的结构很相似。
与其类似。
光纤由折射率为n1的纤芯以及折射率为n2，包围纤芯的包层组成。
n3=1.0的非对称波导也比较重要，这也就是顶部露在空间的集成光路结构。
这种情况下，n2是衬底的折射率。
中心薄膜的场是平面波，按角度θ向上传播，另一个以相同角度向下传播。
这些波的传播因子可写成k=10n k ,其中，0k 是自由空间的传播因
子。
若被导波的净传播方向是在水平方向上。
传播因子在这个方向上的分量为θθβsin sin 10n k k ==，通常称之为纵向传播因子。
折射率的定义是光在自由空间的速度与其在无界介质中的速度的比值。
等效折射率eff n 等于自由空间中的光速度与波导中的相速度之比，
也就是ωβ/c n eff =。
等效折射率是在中心薄膜材料与其外层材料的折射率之间取值。
所有能传播的波对应的光线角度位于c θ与ο90之间，对应的等效折射率则在下式确定的范围内取值，即 n1≦eff n ≦1n 。
对于确定的波长，通过改变光线的入射方向可以改变路径长度，从而使总的相移发生变化。
我们称以这些特定角度传输的波为波导中的模式。
这些角度是波导中允许的方向。
在处理平面边界面上的反射问题时，一般将其分解成两种可能的偏振形态：电场强度矢量垂直于入射平面和平行于入射平面。
Yz 平面是入射平面。
电场指向x 轴方向对应于垂直偏振，或称之为s 偏振态。
这种偏振状态的波称为模电波(TE, transverse electric)， 因为其电场矢量完全在xy 平面内，垂直于传播方向（Z 轴方向）。
当处于平行偏振状态，或称之为p 偏振状态时，电场不完全是横向的，而是有沿z 轴方向的分量。
然而平行偏振时，磁场是指向x 轴方向的，也就是完全横向的。
因此在平板波导中，p 偏振状态的波也称为横磁波（TM, transverse magnetic)
非对称平板波导的模式场分布与对称波导是相似的。
模阶数m 仍然
代表横平面内场函数的零点个次数。
波导结构的非对称性导致场在两个边界面上具有不同的幅度，在上下层中的衰减速度也不相同。
直接边耦合（或称之为平阶）结构，是一种简答而高效的结构。
一个半导体激光器或发光二极管在中心薄膜的边缘与波导直接相连。
要使光从光源向中心薄膜尽可能高效传输，要求光源的发光面积不大于中心薄膜端面的面积。
否则，光源发出的部分光会入射到非导光层，这部分光能量显然就损耗掉了。
当光源辐射的横模式与波导允许传播的模式完全相同时，才能得到较高的耦合效率。
即使中心薄膜和衬底材料是非色散的，对于固定的中心薄膜厚度，某
个特定模式的有效折射率也会随波长而变化，即波导色散。
随波长的变化，有效折射率eff n 与折射率n 一样会导致脉冲展宽。
在通常情况
下，材料是色散的，因此波导色散与材料色散会同时存在。
由波导色散所引起的脉冲展宽幅度与材料色散所导致的脉冲展宽遵循同样的方程，不同的是要用有效折射率替代材料折射率。
对于波导色散有
λλλ
τ∆-=∆-=∆g eff M n c L '')/(。
在这个方程中，λ∆是光源的线宽，22/''λd n d n eff eff =，c n M eff g /''λ=。
因为材料色散M 可能为负值（例如在石英玻璃中，当工作波长超过1300nm 时），由色散引起的总脉冲展宽实际上有可能会因为波导色散的存在反而减小。
当有多个模式在同一平板波导中传播时，相对于波导轴的传输速度互不相同。
一个入射光束的能量在传输过程中会被分配到若干个模式上，其传播速度各不相同。
因此，输入波形在传输过程中会产生畸变。
各个模式到达输出端的时间不同，从而使得波形被展宽。
这种现象称为多模失真或模式失真，也称为多模色散。