1平面光波导技术
光波导技术 第一章
光纤的发展
1966年，高锟和霍克哈姆发表的《用于光频的光纤表面波导》奠定 了现代光通信的基础。高锟被尊为光纤之父。
1970年，美国康宁公司制出对0.6328m波长的损耗为20dB/km的 石英光纤，从此介质波导在光纤通信、传感等领域得到了广泛的应 用。
之后爆炸性发展，从光纤损耗看
1970年，20dB/km 1972年，4dB/km 1974年，1.1dB/km 1976年，0.5dB/km 1979年，0.2dB/km
x
y
覆盖层
n3
导波层
n1
z
n2
衬底层
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平板光波导分析方法
• 射线光学方法（几何光学） 射线理论分析法简单、直观、物理概念清 晰，并能得到一些光在光波导中的基本传 输特性。
• 波动方程方法（麦氏方程+边界条件） 要描述波导中的模场分布，则需用严格的 电磁场理论来分析
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光的反射定律
[两种不同媒介的界面] 反射光线位于入射光线和法线所决定的平面内，反射光线和
1、当θ i＜ qc时，这时r<1为实数，只有部分反射
sinqi< sin qc = n2/n1,
n1sinqi< n2 , r为实数, 且 r<1, 只有部分反射
2、当θ i > qc时，会产生全反射现象。 sinqi>sinqc = n2/n1, n1sinqi>n2 ，r为复数。
tg1( b )
• 全内反射(Total Internal Reflection, TIR)-光波导的物理基础
– 光角从大光于密某介一质角（度时n1），射会向出光现疏全介反质射（现n象2）。时，当入射
•
全反射临界角(critical angle)
PLC（平面光波导技术）详细资料大全
PLC（平面光波导技术）详细资料大全
PLC是英文Planar Lighave Circuit的缩写，翻译成中文为：平面光波导（技术）。
所谓平面光波导，也就是说光波导位于一个平面内。
基本介绍
•中文名：平面光波导
•外文名：Planar Lighave Circuit
•缩写：PLC
•PLC分路器：用二氧化矽做的
•PLC技术：涉及的材料非常广泛
正如大家所熟悉的单层电路板，所有电路都位于基板的一个平面内一样。
因此，PLC是一种技术，它不是泛指某类产品，更不是分路器！我们最常见的PLC分路器是用二氧化矽（SiO2）做的，其实PLC 技术所涉及的材料非常广泛，如玻璃/二氧化矽（Quartz/Silica/SiO2）、铌酸锂（LiNbO3）、III-V族半导体化合物（如InP,GaAs等）、绝缘体上的矽（Silicon-on-Insulator,SOI/SIMOX）、氮氧化矽（SiON）、高分子聚合物（Polymer）等。
基于平面光波导技术解决方案的器件包括：分路器（Splitter）、星形耦合器（Star coupler）、可调光衰减器（Variable Optical Attenuator,VOA）、光开关（Optical switch）、光梳（Interleaver）和阵列波导光栅（Array Waveguide Grating,AWG）等。
根据不同套用场合的需求（如回响时间、环境温度等），这些器件可以选择不同的材料体系以及加工工艺制作而成。
值得一提的是，这些器件都是光无源器件，并且是独立的。
他们之间可以相互组合，或者和其他有源器件相互组合，能构成各种不同功能的高端器件。
平面光波导的制备与测试技术
平面光波导的制备与测试技术光通信作为一种高速、大容量的通信方式，在现代通信领域中扮演着重要角色。
而平面光波导作为光通信中的核心组件之一，其制备与测试技术的发展对于提高光通信的性能和可靠性起着至关重要的作用。
一、平面光波导的制备技术平面光波导的制备过程主要包括材料选择、器件设计和加工工艺三个环节。
首先，材料选择是平面光波导制备的基础。
常见的平面光波导材料有硅(Si)、氧化硅(SiO2)、聚合物等。
硅是一种优良的基底材料，具有优异的光学和电子特性，被广泛应用于平面光波导的制备。
而氧化硅和聚合物则具有较好的光学特性和加工性能，适用于一些特殊需求的光波导器件。
其次，器件设计是平面光波导制备的核心。
器件设计主要包括平面光波导核心层的宽度、厚度等参数的确定，以及相应的布线规则。
平面光波导的核心层应保证光的传输效果，一般会采用较薄的材料。
此外，根据需要，还可以设计一些附加的结构，如激光器、光电探测器等。
最后，加工工艺是平面光波导制备的关键。
平面光波导的加工工艺主要包括光刻、湿法刻蚀、干法刻蚀和热压等步骤。
光刻是通过光干涉技术制备光刻胶阻隔层的过程，湿法刻蚀和干法刻蚀则用来刻蚀材料，以形成平面光波导结构。
热压则用来固定光波导结构与衬底之间的粘合。
二、平面光波导的测试技术平面光波导的测试技术对于确保器件的性能和可靠性至关重要。
首先，常见的平面光波导测试技术包括波导特性测试和光输出功率测试。
波导特性测试主要关注光波导的传输性能，包括驻波比、插损、耦合效率等参数的测量。
光波导可以通过光纤器件的耦合测试来评估光纤与光波导之间的传输效果。
而光输出功率测试则用来评估光波导器件的输出性能，可以通过光功率计等仪器进行测量。
其次，光波导对环境的敏感性和稳定性也需要进行测试。
在实际应用中，光波导往往会受到温度、湿度等环境因素的影响，因此需要对其在不同环境条件下的性能进行测试。
常见的测试方法包括温度循环、湿度暴露和振动测试等。
最后，平面光波导的可靠性测试是评估其在长期使用中的性能和稳定性的关键。
第二章一维平面光波导.ppt
20
电磁场纵横关系
E j 0H H jE
纵横分解
E=Et+
ezEz，H=Ht+ezHz，
t
ez
z
D 0
( A)z t (ez At )
B 0
展开后纵横分量 对应相等！
t Et j0H z
转化为E或H的波动方程，可求解场分布时空变化， 考虑弱导近似可以齐次化；
进一步考虑电磁波在线性介质中的谐变性，分离时 间项，化简为Helmholtz方程，不含时间微分；
更具体考虑纵横分量关系，发现纵向分量可由横向 分量表示，彼此不独立！
再具体的应用还要更多的条件及技巧。。。
Maxwell
第二章 一维平面光波导
1
第二章 一维平面光波导
2.1 Maxwell电磁理论基础 2.2 一维平面光波导及其几何光学描述 2.3 一维平面波导的波动光学描述
2
Maxwell电磁理论基础
1873年，Maxwell发表《电学和磁学 论》，奠定了辉煌的电磁理论基础。
1888年，Hertz证实了电磁波的存在， 电动力学建立。
Maxwell方程组
强度：E：电场强度，H：磁场强度
E B t
通量密度：D：电位移矢量 B：磁感应强度 f：自由电荷密度，Jf：自由电流体密度
H
Jf
D t
D ρ f
B 0
D 0E P E
B H
P 0E
P: 极化矢量，在介质中无磁化电流
s
E
H
ds
平面光波导光分路器原理与技术
的 基 础。 在 刻 蚀 过 程 中，（100） 面 速 度 较快，而（111）面极慢，随着（100）面 向下移动，就会出现倾斜的侧面，且侧面 与底面夹角为 54.74°，图 2 为 V 型槽示 意图。
V 型槽起到一个支架的作用，为了确 保光纤阵列之间的相对位置不会发生改 变，V 型槽的参数必须精确地设计。光纤 阵列之间的距离也要靠 V 型槽来固定，工 业加工中要求距离误差不能大于 0.5μm。
3 结语 本系统存储采用数字硬盘录像机，搭 配控制终端操作电脑，进行集中管理，分 开控制，控制系统功能强大、可靠，具备 先进水平。 主机具备交互式中文系统菜单，用户 可通过屏幕中文提示设定参数，具有极好 的易操作性和易维护性，可直观地掌握管 制学员考核现场情况和记录事件事实，起 到 强 有 力 的 追 溯 及 震 慑 作 用， 为 一 线 运 行安全及培训管理工作提供强有力的技术 保障。 通过系统上线后两个班级的测试，对 控制按钮、信息录入、自动生成、命名规 范等功能的测试，该系统能够稳定地工作 并很好地服务于管制员培训工作。 同时还可以在此基础上，加入人工识
2.3 服务器端 服务端主要有 NVR 服务器、控制终 端电脑及管理软件组成，主要为存储考试 视频作用及运行录音录像管理软件作用。 NVR 服务器采用的是海康威视硬盘录像 机，管理软件采用一 VC 编程，主要对图
像的处理，以及对文件名进行了定制化要 求，控制终端电脑上安装一个 485 信号接 收器，接收器安装在服务器的 USB 口上， 并通过转换软件将 485 信号转换成电脑可 以读写的 USB 信号。录音录像管理软件通 过接收不同的 485 信号判断每一路的信号 的开始与结束。
在平面光波导光分路器中，主要器件 与结构有 Y 分支、光纤和 V 型槽等，其
平面光波导晶圆
平面光波导晶圆引言：光波导是一种能够将光信号进行传输和控制的光学器件。
在光通信和光子集成电路等领域，光波导晶圆起着至关重要的作用。
本文将介绍平面光波导晶圆的基本原理、制备方法以及应用领域。
一、平面光波导晶圆的原理平面光波导晶圆是一种基于平面结构的光波导器件。
它通过在晶体材料表面形成一层光波导层，利用光的全反射特性将光信号限制在波导层内部传输。
波导层通常采用高折射率的材料，而上下层介质选择低折射率的材料，以实现光的传输和控制。
二、平面光波导晶圆的制备方法1. 材料选择：选择具有良好光学性能的晶体材料，如硅、氮化硅等。
这些材料具有优异的光导特性和机械强度。
2. 晶圆制备：将原始晶体材料进行切割和抛光，制备成具有一定尺寸和平整度的晶圆。
3. 光波导层形成：在晶圆表面进行光波导层的形成。
可以采用离子注入、化学气相沉积等方法实现。
4. 结构定义：利用光刻技术和干涉曝光技术，对光波导层进行精细的结构定义和图案化。
5. 制备完善：通过化学腐蚀、离子刻蚀等工艺，进一步完善光波导层的结构和性能。
三、平面光波导晶圆的应用领域1. 光通信：平面光波导晶圆在光通信领域中有着广泛的应用。
它可以用于光纤通信系统中的连接器、耦合器等组件，实现光信号的高效传输和耦合。
2. 光子集成电路：平面光波导晶圆可以作为光子集成电路的基础材料，用于制备各种光学器件和光路结构，实现光信号的控制和处理。
3. 生物医学：平面光波导晶圆在生物医学领域中也有广泛的应用。
它可以用于实现光学生物传感器、光学成像等技术，用于生物分析和医学诊断。
4. 光传感器：平面光波导晶圆可以应用于光传感器领域，用于检测和测量光信号，实现环境监测、光学测量等应用。
结论：平面光波导晶圆是一种重要的光学器件，具有广泛的应用前景。
通过制备和优化平面光波导晶圆的制备工艺，可以实现更高的光学性能和集成度，推动光通信和光子集成电路等领域的发展。
随着光学技术的不断进步和应用需求的增加，平面光波导晶圆必将在未来发挥更重要的作用。
平面光波导(PLC, planar Lightwave circuit)技术
平面光波导(PLC, planar Lightwave circuit)技术平面光波导(PLC, planar Lightwave circuit)技术随着FTTH的蓬勃发展，PLC(Planar Lightwave Circuit,平面光路)已经成为光通信行业使用频率最高的词汇之一，而PLC的概念并不限于我们光通信人所熟知的光分路器和AWG，其材料、工艺和应用多种多样，本文略作介绍。
1.平面光波导材料PLC光器件一般在六种材料上制作，它们是：铌酸锂（LiNbO3）、Ⅲ-Ⅴ族半导体化合物、二氧化硅（SiO2）、SOI（Silicon-on-Insulator, 绝缘体上硅）、聚合物（Polymer）和玻璃，各种材料上制作的波导结构如图1所示，其波导特性如表1所示。
图1. PLC光波导常用材料铌酸锂波导是通过在铌酸锂晶体上扩散Ti离子形成波导，波导结构为扩散型。
InP波导以InP为称底和下包层，以InGaAsP为芯层，以InP或者InP/空气为上包层，波导结构为掩埋脊形或者脊形。
二氧化硅波导以硅片为称底，以不同掺杂的SiO2材料为芯层和包层，波导结构为掩埋矩形。
SOI波导是在SOI基片上制作，称底、下包层、芯层和上包层材料分别为Si、SiO2、Si和空气，波导结构为脊形。
聚合物波导以硅片为称底，以不同掺杂浓度的Polymer材料为芯层，波导结构为掩埋矩形。
玻璃波导是通过在玻璃材料上扩散Ag离子形成波导，波导结构为扩散型。
表1. PLC光波导常用材料特性2. 平面光波导工艺以上六种常用的PLC光波导材料中，InP波导、二氧化硅波导、SOI波导和聚合物波导以刻蚀工艺制作，铌酸锂波导和玻璃波导以离子扩散工艺制作，下面分别以二氧化硅波导和玻璃波导为例，介绍两类波导工艺。
二氧化硅光波导的制作工艺如图2所示，整个工艺分为七步：1)采用火焰水解法（FHD）或者化学气相淀积工艺（CVD），在硅片上生长一层SiO2，其中掺杂磷、硼离子，作为波导下包层，如图2（b）所示；2)采用FHD或者CVD工艺，在下包层上再生长一层SiO2，作为波导芯层，其中掺杂锗离子，获得需要的折射率差，如图2（c）所示；3)通过退火硬化工艺，使前面生长的两层SiO2变得致密均匀，如图2（d）所示。
平面光波导的设计原理及其应用研究
平面光波导的设计原理及其应用研究平面光波导是一种介质光波导，具有平面结构。
它的应用十分广泛，可以用于制作光纤通信系统、集成光学器件和光电传感器等。
本文将介绍平面光波导的设计原理和应用研究。
一、平面光波导的设计原理平面光波导的基本结构是由两个互相垂直的平面介质构成的，其中一个是导波层，另一个是衬底层。
引入了吸收层和耦合层等层次结构，可以使平面光波导具有优异的性能。
设计平面光波导需要考虑三个重要因素：模式、损耗和色散。
1. 模式设计模式设计是平面光波导最关键的部分，因为模式决定了光波传导的形态和光传输的性能。
具体而言，模式通常是通过将折射率的梯度引入光波导，以控制光线的传播路径和光线的模式传输。
导波层与衬底层的折射率差越大，则能够容纳的模式数目越多，功能越丰富。
2. 损耗设计损耗是光波导的另一重要因素。
它不仅会耗散光能，还会影响光传输的距离和信号质量。
因此，在设计平面光波导时，需要减少其光线的衰减。
常用的降低损耗的方法包括增加波导层厚度、采用低损耗材料、优化接头和减少Bragg反射等。
3. 色散设计色散是光波引起的一种现象，它使得入射的基频光和其频率较高的次谐波输送速度不一致，最终导致光波失真。
针对此问题，可以通过调节材料折射率的离散性或梯度让光波导的群速度失调减小，从而实现减小色散量的目的。
二、平面光波导的应用研究平面光波导由于其小尺寸、高集成度、低损耗等特点，因此被广泛应用于光通信、光子学、生物医学和光电传感器等领域。
1. 光通信平面光波导是现代光通信系统的重要组成部分，可以用于制作光纤通信系统。
平面光波导设备由于体积小、损耗低、信号带宽大和速度快等特点已得到广泛应用。
2. 光子学平面光波导不同于传统的光纤技术，具有大量的自由度，可以制造各种光学器件。
其集成度高，可以在同一基板上制造多种功能器件，如滤波器、耦合器、光扩散器、各种功率分配器与调节器等，尤其适用于光学芯片的自动化加工。
3. 生物医学由于其高反应速度、高分辨率、非接触性和零污染等优点，平面光波导技术在生物医学领域方面应用广泛。
平面光波导分路器的工作原理及应用
平面光波导分路器的工作原理及应用平面光波导分路器是一种常用的光学器件，用于在光通信和光子集成电路中实现光信号的引导、分配和分离。
它的工作原理基于光的全反射和干涉现象，可以将入射光束分离成多个输出光束。
在平面光波导分路器中，光是沿着光波导的波导轴传播的。
波导轴通常由高折射率的芯层和低折射率的包层组成。
当光从高折射率的芯层传入包层时，由于两种介质的折射率不同，光会发生全反射并沿着波导轴传播。
在波导中，存在着多个模式，每个模式都对应着不同的传播特性和传播常数。
平面光波导分路器可以通过控制波导结构、波导宽度和长度等参数来实现不同的功用。
其中最常见的是分光和耦合功能。
首先，平面光波导分路器可以实现光信号的分光功能。
当光进入平面光波导分路器时，根据不同模式的传输特性，光信号可以被分离成多个输出光束，每个光束对应着一个特定的模式。
这种分光功能可以用于实现光信号的路由、多路复用和发射。
另外，平面光波导分路器还可以实现光信号的耦合功能。
当光从外界垂直进入平面光波导分路器时，会发生耦合作用，光信号被引导到波导中并沿着波导轴传播。
通过控制波导结构，可以调节入射光的耦合效率和传输损耗。
除了在光通信领域的广泛应用，平面光波导分路器还在光子集成电路中扮演着重要角色。
光子集成电路是一种基于光的微纳器件，可以在芯片上实现光信号的处理和传输。
平面光波导分路器作为光信号的控制器和分配器，可以在光子集成电路中实现光路由和光调制等功能。
通过将多个平面光波导分路器组合在一起，还可以实现复杂的光学功能，如光信号的干涉和相位调控。
总之，平面光波导分路器是一种重要的光学器件，它通过光的全反射和干涉现象实现光信号的引导、分配和分离。
它在光通信和光子集成电路中有着广泛的应用，可以实现光信号的分光和耦合功能，为光学系统的设计和优化提供了很大的灵活性和可行性。
光波导平面
导模(TE)本征解
• 覆盖层：x>0 Ey=Aexp(-W0x/d) • 芯区： -d<x<0 Ey=Acos(Ux/d)+Bsin(Ux/d) • 衬底： x<-d Ey= (AcosU-BsinU)exp[(W2(x+d)/d] • 纵向：Hz=(j/wm0)dEy/dx)
本征值方程
• 边界条件：TE模式: Ey,Hz在上下界面连续； TM模式: Hy,Ez在上下界面连续。 • 本征值方程：
* j m z dBm / dz = jw (P E m e ) dxdy
§3-3 耦合波方程及耦合系数
• 耦合波方程式：
dAm dz dBm dz = j A ( Km Km )e
t z
j ( m ) z
B ( Km Km )e
fTE = 2tg 1
n k , 2 2 n1 k0
2 2 2 j 0 2
fTM = 2tg 1
2 n1 2 n 2 k j 0 n n2k 2 2 j 1 0
4
光程相移
x n0 n1 D fD=n1k0(CD-AB) n2
C 0 q A
• 光线轨迹：锯齿形折线 • 约束光线条件：
– 上界面全反射：q10qc10=arcsin(n0/n1) – 下界面全反射：q12qc12=arcsin(n2/n1) – 相位匹配：上下两次反射经历相移为2p整数倍
• 附加相移： Df=fD-f12-f10
– 光程相移： fD=2n1k0dcosq – 全反射相移：f12, f10
W2 2p
V
1平面光波导技术
1平面光波导技术光波导是集成光学重要的基础性部件，它能将光波束缚在光波长量级尺寸的介质中，长距离无辐射的传输。
平面波导型光器件，又称为光子集成器件。
其技术核心是采用集成光学工艺根据功能要求制成各种平面光波导，有的还要在一定的位置上沉积电极，然后光波导再与光纤或光纤阵列耦合，是多类光器件的研究热点.按材料可分为四种基本类型：铌酸锂镀钛光波导、硅基沉积二氧化硅光波导、InG aAsP/InP光波导和聚合物（Polymer）光波导。
LiNbO3晶体是一种比较成熟的材料，它有极好的压电、电光和波导性质。
除了不能做光源和探测器外，适合制作光的各种控制、耦合和传输元件。
铌酸锂镀钛光波导开发较早，其主要工艺过程是：首先在铌酸锂基体上用蒸发沉积或溅射沉积的方法镀上钛膜，然后进行光刻，形成所需要的光波导图形，再进行扩散，可以采用外扩散、内扩散、质子交换和离子注入等方法来实现。
并沉积上二氧化硅保护层，制成平面光波导。
该波导的损耗一般为0.2-0.5dB/cm。
调制器和开关的驱动电压一般为10V左右；一般的调制器带宽为几个GHz，采用行波电极的LiNbO3光波导调制器，带宽已达50GHz以上。
硅基沉积二氧化硅光波导是20世纪90年代发展起来的新技术，主要有氮氧化硅和掺锗的硅材料，国外已比较成熟。
其制造工艺有：火焰水解法（FHD）、化学气相淀积法（CVD，日本NEC公司开发）、等离子增强CVD法（美国Lucent公司开发）、反应离子蚀刻技术RIE 多孔硅氧化法和熔胶－凝胶法（Sol-gel）。
该波导的损耗很小，约为0.02dB/cm。
基于磷化铟（InP）的InGaAsP/InP光波导的研究也比较成熟，它可与InP基的有源与无源光器件及InP基微电子回路集成在同一基片上，但其与光纤的耦合损耗较大。
聚合物光波导是近年来研究的热点。
该波导的热光系数和电光系数都比较大，很适合于研制高速光波导开关、AWG等。
采用极化聚合物作为工作物质，其突出优点是材料配置方便、成本很低。
平面光波导(PLC, planar Lightwave circuit)技术
平面光波导(PLC, planar Lightwave circuit)技术随着FTTH的蓬勃发展，PLC(Planar Lightwave Circuit,平面光路)已经成为光通信行业使用频率最高的词汇之一，而PLC的概念并不限于我们光通信人所熟知的光分路器和AWG，其材料、工艺和应用多种多样，本文略作介绍。
1.平面光波导材料PLC光器件一般在六种材料上制作，它们是：铌酸锂（LiNbO3）、Ⅲ-Ⅴ族半导体化合物、二氧化硅（SiO2）、SOI（Silicon-on-Insulator, 绝缘体上硅）、聚合物（Polymer）和玻璃，各种材料上制作的波导结构如图1所示，其波导特性如表1所示。
图1. PLC光波导常用材料铌酸锂波导是通过在铌酸锂晶体上扩散Ti离子形成波导，波导结构为扩散型。
InP波导以InP为称底和下包层，以InGaAsP为芯层，以InP或者InP/空气为上包层，波导结构为掩埋脊形或者脊形。
二氧化硅波导以硅片为称底，以不同掺杂的SiO2材料为芯层和包层，波导结构为掩埋矩形。
SOI波导是在SOI基片上制作，称底、下包层、芯层和上包层材料分别为Si、SiO2、Si和空气，波导结构为脊形。
聚合物波导以硅片为称底，以不同掺杂浓度的Polymer材料为芯层，波导结构为掩埋矩形。
玻璃波导是通过在玻璃材料上扩散Ag离子形成波导，波导结构为扩散型。
表1. PLC光波导常用材料特性2.平面光波导工艺以上六种常用的PLC光波导材料中，InP波导、二氧化硅波导、SOI波导和聚合物波导以刻蚀工艺制作，铌酸锂波导和玻璃波导以离子扩散工艺制作，下面分别以二氧化硅波导和玻璃波导为例，介绍两类波导工艺。
二氧化硅光波导的制作工艺如图2所示，整个工艺分为七步：1)采用火焰水解法（FHD）或者化学气相淀积工艺（CVD），在硅片上生长一层SiO2，其中掺杂磷、硼离子，作为波导下包层，如图2（b）所示；2)采用FHD或者CVD工艺，在下包层上再生长一层SiO2，作为波导芯层，其中掺杂锗离子，获得需要的折射率差，如图2（c）所示；3)通过退火硬化工艺，使前面生长的两层SiO2变得致密均匀，如图2（d）所示。
平面波导光分路器技术
平面波导光分路器技术平面光波导(PLC)分路器技术1(平面光波导技术和应用 ................................................................. .. (2)1.1 平面光波导材料.................................................................. (2)1.2 平面光波导工艺.................................................................. (3)1.3 平面光波导的应用.................................................................. .. (4)2 FTTH核心器件---光分路器的分类及介绍 ................................................................. (6)2.1熔融拉锥光纤分路器(Fused FiberSplitter) .......................................................... . (6)2.2 平面光波导功率分路器(PLC Optical PowerSplitter) (7)2.3 两种光分路器的总结 ................................................................. (7)3 全球FTTH大发展下的PLC光分路器产业现状.................................................................. . (8)3.1 国外FTTH发展现状 ................................................................. . (8)3.2 国FTTH光分路器观察:热点归热点市场归市场 .................................................................15平面光波导(PLC)分路器技术1(平面光波导技术和应用随着FTTH的蓬勃发展，PLC(Planar Lightwave Circuit,平面光路)已经成为光通信行业使用频率最高的词汇之一，而PLC的概念并不限于我们光通信人所熟知的光分路器和AWG，其材料、工艺和应用多种多样，下面略作介绍。
[理学]第二章 一维平面光波导
![[理学]第二章 一维平面光波导](https://img.taocdn.com/s3/m/c64c07055901020207409cb3.png)
模式分类
场的迭加原理：波导内的电磁场总可以分解为两种正交的 偏振状态来进行分析
TE模 Ex 0 Ez 0
j dEy Hx Ey , H z , Ez H y 0 0 0 dx
TM模 E y 0 H z 0
j dH y Ex H y , Ez , Hz Hy 0 dx
基模：TE0模 截止2 2 cos cos 1 sin n n c c 1 2 模式数 n1 4h 特征方程 2 2 n1 n2 2 3 偏振简并：TE、TM 2k0n1h cos 2 3 2m mM 模式总数约2M 2
纵向场与横向场
横向电场和横向磁场之间关系
Et 1 1 ez j 0 H t e z t t e z H t z j H t 1 ez j 0Et e z t t e z Et z j 0
特征方程
2k0n1h cos 2 3 2m
AD BC 2h cos
返回
横向谐振条件 = 特征方程
kx
k kz
2kx h 2 3 2m
k x k0 n1 cos
TE模、TM模反射时相位损失（2+3）不同，一个m，两个模式 因此特征方程不同。 TEm模、TMm模 截止波长cm 当光波波长超过cm时，指标m的模式截止
x h
y z
限制层
波导层 限制层
n3 n1 n2
( x) exp( jz)
z j
满足：
y 0,
n1 ,0 x h n1 n2 n3 波导结构（折射率空间分布）： n x n2 , x 0 n , x h 3
一维对称平面波导 导模色散 -回复
一维对称平面波导导模色散-回复一维对称平面波导（Symmetric Planar Waveguide，SPWG）是一种常用的光波导结构，广泛应用于光通信和光传感等领域。
该波导结构由一层高折射率的芯层和两层低折射率的包层构成，其中芯层和包层的折射率分别为n1和n2。
本文将详细介绍一维对称平面波导中的导模色散与其在通信领域中的应用。
首先，让我们了解一维对称平面波导中的导模色散现象。
导模色散是指光波导中不同模式在传输过程中由于频率的不同而导致相速度不同，从而引起相位延迟差异，也就是波导中传播的光信号在时间上发生拉伸或压缩。
这种现象会对光信号的传输性能产生影响，尤其是在高速光通信系统中，色散的影响不可忽视。
在一维对称平面波导中，通常存在两个主要的导向模式，即TE模式和TM模式。
TE模式是指电场垂直于波导截面方向而磁场平行于波导截面方向的模式，而TM模式则相反。
这两个模式在波导中的传输特性和色散特性有所不同。
针对波导中的TE模式，可以通过Maxwell方程组的求解来得到TE 模式的传输特性和导模色散。
根据导模的传播方程和边界条件，可以得到TE模式下的波导色散方程。
色散方程是一个关于波矢和频率的方程，它描述了导模的色散特性。
通过求解色散方程，可以得到TE模式下的导模色散曲线。
导模色散曲线表示了导模的相速度和波长之间的关系，从而揭示了导模在波导中传输过程中的色散特性。
通常，波导色散曲线呈现为抛物线状，其顶部对应于色散最小的工作点。
对于一维对称平面波导中的TM模式，同样可以通过求解Maxwell 方程组来获得其传输特性和导模色散。
TM模式的导模色散曲线也可通过求解色散方程得到。
与TE模式相比，TM模式的色散特性通常有所不同。
波导中的TE和TM模式的色散特性是由其模场分布和波导结构决定的，这也是为什么不同波导结构的色散特性有所差异的原因。
导模色散在光通信系统中的应用极为重要。
光信号在长距离传输中会受到导模色散的影响，导致信号的扩展和互串扰，降低传输质量。
光波导平面
B
y
-d
全反射相移
• 费涅尔定律：TE/TM波振幅反射系数
rTE = rTM =
2 2 n1 cosq n 2 n sin q j 1 2 2 n1 cosq n 2 n sin q j 1 2 2 n j cosq n1 n 2 n sin q j 1 2 2 n j cosq n1 n 2 n sin q j 1
2 1/ 2
)
2 2 1/ 2 2 0
2
n k
2 2 1/ 2 0 0
) )
2 归一化频率：V = k0 d n12 n2
本征值方程
Df=fD-f12-f10=2mp
TE : W2 1 W0 U = tg tg mp U U U (W2 W0 ) tgU = 2 U W0W2
本征值与模式分析(I)
• 基模：m=0, 2n1k0dcosq=f12q)f10q) • 本征值：曲线交点对应的q ； • 波导截止条件：
2 2 TE 1 n n 2 2 1 2 0 k0 d n1 n2 = tg A 2 ,A= 2 2 ( n / n ) TM n n 1 0 1 2
模式场分布
• • • • • Exmn模：Ex(x,y)=E1sin(xmp2a) sin(ynp2d) Ex11模：Ex(x,y)=E1sin(xp2a) sin(yp2d) Ex21模：Ex(x,y)=E1sin(xpa) sin(yp2d) Ex12模：Ex(x,y)=E1sin(xp2a) sin(ypd) Ex22模：Ex(x,y)=E1sin(xpa) sin(ypd) (0<x<2a; 0<y<2d)
第二章 一维平面光波导
n1 ,0 ≤ x ≤ h n(x ) = n2 , x ≤ 0 (n1 > n2 ≥ n3 ) n , x ≥ h 3
4πh n1 − n2 = 2mπ − ϕ 2 − ϕ 3
2 2
二、一维平面光波导的波动光学描述
对称性考虑 场分解与模式分类 场方程和解 模式的特征方程
一维平面光波导的描述
• 几何光学描述： 几何光学描述： 给出波导特性清晰的物理图象和解释； 给出波导特性清晰的物理图象和解释； 结论粗糙， 结论粗糙，不能够获得有关电磁场模式在 波导内的具体场分布和传输特性等方面的完整 细节。 细节。 • 波动光学描述： 波动光学描述： 方程组出发， 从Maxwell方程组出发，结合电磁场的边 方程组出发 界条件获得光波导的严格理论分析： 界条件获得光波导的严格理论分析：各模式的 场分量分布和特征方程。 场分量分布和特征方程。
δ (γ 2 + γ 3 ) k x h = arctan 2 + mπ δ − γ 2γ 3
特征方程
j dH y Ez = − ϖε dx
TM模 模 Ez连续
δk12 k3 2γ 2 + k 2 2γ 3 tan (δh ) = 2 2 2 4 k 2 k3 δ − k1 γ 2γ 3
一维平面光波导的波动光学描述
• 波动光学描述： 波动光学描述： 各模式的场分量分布和特征方程的 获得----由于 由于Maxwell方程组的约束，实 方程组的约束， 获得 由于 方程组的约束 际当中，并不需要对其逐一求解， 际当中，并不需要对其逐一求解，只要 求得电场或磁场的两个分量， 求得电场或磁场的两个分量，即可以获 得电磁场的其他四个分量。 得电磁场的其他四个分量。对应关系如 下：
平面光波导晶圆
平面光波导晶圆平面光波导晶圆是一种用于光学通信和集成光学器件的重要材料。
它具有平坦的表面和光学导模，可以有效地传输和控制光信号。
本文将介绍平面光波导晶圆的基本原理、制备方法以及应用领域。
一、基本原理平面光波导晶圆是利用光的全内反射原理，在光波导层中传输光信号。
光波导层一般由高折射率材料和低折射率材料交替堆积而成。
当光信号传入光波导层时，由于折射率的差异，光会被限制在光波导层内部传输，从而实现光信号的传输和控制。
二、制备方法平面光波导晶圆的制备方法主要包括沉积、刻蚀和退火等步骤。
首先，利用化学气相沉积或物理气相沉积等方法，在基底上沉积一层光波导材料。
然后，通过光刻和刻蚀工艺，将光波导层的形状和尺寸定义出来。
最后，进行退火处理，使光波导层的结晶结构得到优化，提高光学性能。
三、应用领域平面光波导晶圆在光学通信和集成光学器件中有着广泛的应用。
首先，它可以用于制备光纤通信中的耦合器、分路器和光开关等器件，实现光信号的传输、分配和切换。
其次，平面光波导晶圆也可以用于制备光学芯片中的光调制器、光放大器和光检测器等器件，实现光信号的调制、放大和检测。
此外，平面光波导晶圆还可以用于制备微波电路和光电子集成电路等领域，实现光与电的互相转换和集成。
总结：平面光波导晶圆是一种重要的光学材料，具有平坦的表面和光学导模。
通过合理的制备方法，可以制备出具有优良光学性能的平面光波导晶圆。
在光学通信和集成光学器件中，平面光波导晶圆有着广泛的应用，可以实现光信号的传输、控制和处理。
未来，随着光通信和集成光学技术的不断发展，平面光波导晶圆将会发挥更大的作用，为光学领域的进一步发展做出贡献。
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光波导是集成光学重要的基础性部件，它能将光波束缚在光波长量级尺寸的介质中，长距离无辐射的传输。
平面波导型光器件，又称为光子集成器件。
其技术核心是采用集成光学工艺根据功能要求制成各种平面光波导，有的还要在一定的位置上沉积电极，然后光波导再与光纤或光纤阵列耦合，是多类光器件的研究热点.
按材料可分为四种基本类型：铌酸锂镀钛光波导、硅基沉积二氧化硅光波导、InG aAsP/InP光波导和聚合物（Polymer）光波导。
LiNbO3晶体是一种比较成熟的材料，它有极好的压电、电光和波导性质。
除了不能做光源和探测器外，适合制作光的各种控制、耦合和传输元件。
铌酸锂镀钛光波导开发较早，其主要工艺过程是：首先在铌酸锂基体上用蒸发沉积或溅射沉积的方法镀上钛膜，然后进行光刻，形成所需要的光波导图形，再进行扩散，可以采用外扩散、内扩散、质子交换和离子注入等方法来实现。
并沉积上二氧化硅保护层，制成平面光波导。
该波导的损耗一般为0.2-0.5dB/cm。
调制器和开关的驱动电压一般为10V左右；一般的调制器带宽为几个GHz，采用行波电极的LiNbO3光波导调制器，带宽已达50GHz以上。
硅基沉积二氧化硅光波导是20世纪90年代发展起来的新技术，主要有氮氧化硅和掺锗的硅材料，国外已比较成熟。
其制造工艺有：火焰水解法（FHD）、化学气相淀积法（CVD，日本NEC公司开发）、等离子增强CVD法（美国Lucent公司开发）、反应离子蚀刻技术RIE多孔硅氧化法和熔胶－凝胶法（Sol-gel）。
该波导的损耗很小，约为0.02dB/cm。
基于磷化铟（InP）的InGaAsP/InP光波导的研究也比较成熟，它可与InP基的有源与无源光器件及InP基微电子回路集成在同一基片上，但其与光纤的耦合损耗较大。
聚合物光波导是近年来研究的热点。
该波导的热光系数和电光系数都比较大，很适合于研制高速光波导开关、AWG等。
采用极化聚合物作为工作物质，其突出优点是材料配置方便、成本很低。
同时由于有机聚合物具有与半导体相容的制备工艺而使得样品的制备非常简单。
聚合物通过外场极化的方法可以获得高于铌酸锂等无机晶体的电光系数。
德国HHI公司利用这种波导研制成功的AWG在25-65℃的波长漂移仅为±0.05nm。
几乎任何材料都可以作为聚合物的衬底。
成本低廉，发展前景看好。
此外，为了得到更好的光波导性能，许多研究机构正在探索在新型材料上的波导制造方法。
目前，有机无机混合纳米材料的平面光波导已研制成功，兼具有机与无机材料的优点，如性能稳定可*、加工容易、能依需求调控光学性能等。
由于新材料具有感光特性，在制造工艺上以显影方式直接做出的导光线路，将能进一步应用以低成本的简单工艺，更可大幅减少器件制造商的设备投入成本。