波导光学5-集成光无源器件——波导光学课件PPT
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• 光隔离器与环形器
22
多模干涉耦合器(MMI)
Multimode Section
Input Waveguide
Output Waveguides
➢ 由输入输出波导及多模干涉区组成;
➢ 与方向耦合器，Y分支，星型耦合器等相比，具有结构紧凑、易于制 作、损耗小、制作容差性好、偏振相关性小等优点;
➢ 已经在功分器，光开关，上下路器，波分复用器件，环形激光器等器 件中得到了广泛应用.
• 微器件型
透镜、反射镜、棱镜等 分立光学元件
• 集成型
采用类似于半导体集成电路 的方法，把光学元件集成到同一块芯片上的集成光路
7
第四章 集成光无源器件
• 集成光无源器件概述 • 典型的集成光无源器件
✓ 波导透镜 ✓ Y分支、定向耦合器、多模干涉耦合器 ✓ MZ干涉仪 ✓ 环形谐振腔 ✓ 阵列波导光栅
14
输入波导
Y分支
锥形波导
输出波导
在分支区域之前的锥形部分（过渡区）平滑地将单模直波 导展宽，从而增大光波导本征模式的宽度以减小和输出波 导之间的耦合损耗。 • 对称型Y分支：两个分支臂具有相同的光传输特性，相同 的材料结构和相同的波导宽度，实现3dB耦合器功能。 • 非对称型Y分支：分支臂波导宽度不等，通过调整分支角 或者臂的宽度调节功分比，还可以通过电光、热光等效应 调节其中一个臂的折射率，实现分光比的可调谐。
4
光无源器件
定义：不需要外加能源驱动工作的光电子器件 –光纤连接器（固定、活动,FC/PC,FC/APC） –光纤定向耦合器/分支器 –光分插复用器（OADM) –光波分/密集波分复用器（WDM/DWDM) –光衰减器（固定、连续） –光滤波器（带通、带阻） –光纤隔离器与环行器（偏振有关、无关） –光偏振态控制器、光纤延迟线、光纤光栅
15
Y分支光功率分配器模块
光纤 输入光
输入波导
PLC芯片 光纤阵列
锥形波导 弯曲波导 输出波导
R S
输出光 D=250 μm
输出光
16
Y分支的级联
(a) 树形级联方式
(b) Sparkler方式
17
Y分支功分器
18
第四章 集成光无源器件
• 集成光无源器件概述 • 典型的集成光无源器件
✓ 波导透镜 ✓ Y分支、定向耦合器、多模干涉耦合器 ✓ MZ干涉仪 ✓ 环形谐振腔 ✓ 阵列波导光栅
5
光无源器件
• 光无源器件是一种不 必借助外部的任何光 或电的能量，由自身 能够完成某种光学功 能的光学元器件。
• 其工作原理遵守几何 光学和物理光学基本 理论，各项技术指标、 各种计算公式和各种 测试方法与光纤光学 和集成光学息息相关。
6
光功分器 波分复用器
光无源器件的分类
• 光纤型
熔融拉锥功分器、光纤光栅
E1 E2
' '
2 2
1
j
E1
相位差=Pi/2
20
定向耦合器的缺点
• 如果需要较强的耦合，两根波导的间隔g0 需要很小，增加了加工制作的难度。
• 输出响应随波长变化明显。 • 输出响应随结构参数的变化明显。
21
第四章 集成光无源器件
• 集成光无源器件概述 • 典型的集成光无源器件
✓ 波导透镜 ✓ Y分支、定向耦合器、多模干涉耦合器 ✓ MZ干涉仪 ✓ 环形谐振腔 ✓ 阵列波导光栅
• 光隔离器与环形器
19
定向耦合器
两根同样波导的耦合：
1
1’
2
L
2’
Baidu NhomakorabeaE1 E2
' '
cos j sin
j sin E1
cos
E2
E1 E2
其中 KL.
对一个3dB耦合器来说， cos2 1/ 2
cos j sin
j sin cos
2 1
2
j
j 1
当 E2 0 时有:
• 将衬底（玻璃， LiNbO3）加工成曲 面，再在其表面形 成波导层制作成短 程透镜
11
微透镜
✓ 单个透镜的直径小，透镜密度高， 可实现信息的大容量，多通道并行 处理。因此，在光传感、光计算、 光纤通信及其它光电子器件中获得 了重要的应用。
对光源、探测器实现光束的耦合、 准直、扩束、汇聚等功能
12
集成光无源器件
• 集成光无源器件概述 • 典型的集成光无源器件
✓ 波导透镜 ✓ Y分支、定向耦合器、多模干涉耦合器 ✓ MZ干涉仪 ✓ 环形谐振腔 ✓ 阵列波导光栅
• 光隔离器与环形器
1
光器件与电器件的类比
电线 电阻 二极管 放大器 滤波器 电接插件 开关
光纤 光衰减器 光隔离器 光放大器 光滤波器 光连接器 光开关
m
AmE(m) (x) exp[ j m 0 z]
m
Am E(m) (x) exp[
微透镜
扩散法：
熔融盐槽中的金属离子经过掩 膜扩散以置换玻璃中的不同金 属离子，形成球形变化的折射 率分布
13
第四章 集成光无源器件
• 集成光无源器件概述 • 典型的集成光无源器件
✓ 波导透镜 ✓ Y分支、定向耦合器、多模干涉耦合器 ✓ MZ干涉仪 ✓ 环形谐振腔 ✓ 阵列波导光栅
• 光隔离器与环形器
23
多模干涉耦合器
• 对于输入场 E(x, z) ，我们可以将其分解成多模区 所有模场的和 (正交且完备)
E(x, z) AmE(m) (x) exp[ jm z]
m
Am
E(x) Em* (x)dx Em* (x) Em* (x)dx
• 那么在多模区 z 处的场就可以表示成
相位因子Φ
E(x, z)
调制器
光调制器
三通（多通） 光耦合器
混频器 光波分复用器
频率转换器 光波长转换器
电源
光源
探头
光探测器
集成电路
集成光路
2
光有源和无源器件
光电子器件类型（通信）
按是否需要外加能源驱动工作分： • 光有源器件 • 光无源器件
3
光有源器件
定义：需要外加能源驱动工作的光电子器件
–半导体光源(LD,LED,DFB,QW,SQW,VCSEL) –半导体光探测器(PIN,APD） –光纤激光器（OFL:单波长、多波长） –光放大器(SOA,EDFA) –光波长转换器(XGM,XPM,FWM) –光调制器（EA） –光开关/路由器
• 光隔离器与环形器
8
波导型透镜
• 模折射率透镜(Mode Index Lens) • 短程透镜(Geodesic Lens) • 微透镜(MicroLens)
9
模折射率透镜(Mode Index Lens)
• 将传统的体型透镜平面化，在光波导上作 出圆形或者圆弧形的折射率分布曲线
10
短程透镜
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多模干涉耦合器(MMI)
Multimode Section
Input Waveguide
Output Waveguides
➢ 由输入输出波导及多模干涉区组成;
➢ 与方向耦合器，Y分支，星型耦合器等相比，具有结构紧凑、易于制 作、损耗小、制作容差性好、偏振相关性小等优点;
➢ 已经在功分器，光开关，上下路器，波分复用器件，环形激光器等器 件中得到了广泛应用.
• 微器件型
透镜、反射镜、棱镜等 分立光学元件
• 集成型
采用类似于半导体集成电路 的方法，把光学元件集成到同一块芯片上的集成光路
7
第四章 集成光无源器件
• 集成光无源器件概述 • 典型的集成光无源器件
✓ 波导透镜 ✓ Y分支、定向耦合器、多模干涉耦合器 ✓ MZ干涉仪 ✓ 环形谐振腔 ✓ 阵列波导光栅
14
输入波导
Y分支
锥形波导
输出波导
在分支区域之前的锥形部分（过渡区）平滑地将单模直波 导展宽，从而增大光波导本征模式的宽度以减小和输出波 导之间的耦合损耗。 • 对称型Y分支：两个分支臂具有相同的光传输特性，相同 的材料结构和相同的波导宽度，实现3dB耦合器功能。 • 非对称型Y分支：分支臂波导宽度不等，通过调整分支角 或者臂的宽度调节功分比，还可以通过电光、热光等效应 调节其中一个臂的折射率，实现分光比的可调谐。
4
光无源器件
定义：不需要外加能源驱动工作的光电子器件 –光纤连接器（固定、活动,FC/PC,FC/APC） –光纤定向耦合器/分支器 –光分插复用器（OADM) –光波分/密集波分复用器（WDM/DWDM) –光衰减器（固定、连续） –光滤波器（带通、带阻） –光纤隔离器与环行器（偏振有关、无关） –光偏振态控制器、光纤延迟线、光纤光栅
15
Y分支光功率分配器模块
光纤 输入光
输入波导
PLC芯片 光纤阵列
锥形波导 弯曲波导 输出波导
R S
输出光 D=250 μm
输出光
16
Y分支的级联
(a) 树形级联方式
(b) Sparkler方式
17
Y分支功分器
18
第四章 集成光无源器件
• 集成光无源器件概述 • 典型的集成光无源器件
✓ 波导透镜 ✓ Y分支、定向耦合器、多模干涉耦合器 ✓ MZ干涉仪 ✓ 环形谐振腔 ✓ 阵列波导光栅
5
光无源器件
• 光无源器件是一种不 必借助外部的任何光 或电的能量，由自身 能够完成某种光学功 能的光学元器件。
• 其工作原理遵守几何 光学和物理光学基本 理论，各项技术指标、 各种计算公式和各种 测试方法与光纤光学 和集成光学息息相关。
6
光功分器 波分复用器
光无源器件的分类
• 光纤型
熔融拉锥功分器、光纤光栅
E1 E2
' '
2 2
1
j
E1
相位差=Pi/2
20
定向耦合器的缺点
• 如果需要较强的耦合，两根波导的间隔g0 需要很小，增加了加工制作的难度。
• 输出响应随波长变化明显。 • 输出响应随结构参数的变化明显。
21
第四章 集成光无源器件
• 集成光无源器件概述 • 典型的集成光无源器件
✓ 波导透镜 ✓ Y分支、定向耦合器、多模干涉耦合器 ✓ MZ干涉仪 ✓ 环形谐振腔 ✓ 阵列波导光栅
• 光隔离器与环形器
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定向耦合器
两根同样波导的耦合：
1
1’
2
L
2’
Baidu NhomakorabeaE1 E2
' '
cos j sin
j sin E1
cos
E2
E1 E2
其中 KL.
对一个3dB耦合器来说， cos2 1/ 2
cos j sin
j sin cos
2 1
2
j
j 1
当 E2 0 时有:
• 将衬底（玻璃， LiNbO3）加工成曲 面，再在其表面形 成波导层制作成短 程透镜
11
微透镜
✓ 单个透镜的直径小，透镜密度高， 可实现信息的大容量，多通道并行 处理。因此，在光传感、光计算、 光纤通信及其它光电子器件中获得 了重要的应用。
对光源、探测器实现光束的耦合、 准直、扩束、汇聚等功能
12
集成光无源器件
• 集成光无源器件概述 • 典型的集成光无源器件
✓ 波导透镜 ✓ Y分支、定向耦合器、多模干涉耦合器 ✓ MZ干涉仪 ✓ 环形谐振腔 ✓ 阵列波导光栅
• 光隔离器与环形器
1
光器件与电器件的类比
电线 电阻 二极管 放大器 滤波器 电接插件 开关
光纤 光衰减器 光隔离器 光放大器 光滤波器 光连接器 光开关
m
AmE(m) (x) exp[ j m 0 z]
m
Am E(m) (x) exp[
微透镜
扩散法：
熔融盐槽中的金属离子经过掩 膜扩散以置换玻璃中的不同金 属离子，形成球形变化的折射 率分布
13
第四章 集成光无源器件
• 集成光无源器件概述 • 典型的集成光无源器件
✓ 波导透镜 ✓ Y分支、定向耦合器、多模干涉耦合器 ✓ MZ干涉仪 ✓ 环形谐振腔 ✓ 阵列波导光栅
• 光隔离器与环形器
23
多模干涉耦合器
• 对于输入场 E(x, z) ，我们可以将其分解成多模区 所有模场的和 (正交且完备)
E(x, z) AmE(m) (x) exp[ jm z]
m
Am
E(x) Em* (x)dx Em* (x) Em* (x)dx
• 那么在多模区 z 处的场就可以表示成
相位因子Φ
E(x, z)
调制器
光调制器
三通（多通） 光耦合器
混频器 光波分复用器
频率转换器 光波长转换器
电源
光源
探头
光探测器
集成电路
集成光路
2
光有源和无源器件
光电子器件类型（通信）
按是否需要外加能源驱动工作分： • 光有源器件 • 光无源器件
3
光有源器件
定义：需要外加能源驱动工作的光电子器件
–半导体光源(LD,LED,DFB,QW,SQW,VCSEL) –半导体光探测器(PIN,APD） –光纤激光器（OFL:单波长、多波长） –光放大器(SOA,EDFA) –光波长转换器(XGM,XPM,FWM) –光调制器（EA） –光开关/路由器
• 光隔离器与环形器
8
波导型透镜
• 模折射率透镜(Mode Index Lens) • 短程透镜(Geodesic Lens) • 微透镜(MicroLens)
9
模折射率透镜(Mode Index Lens)
• 将传统的体型透镜平面化，在光波导上作 出圆形或者圆弧形的折射率分布曲线
10
短程透镜