集成光学(全套课件136P)下
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集成光学ppt集成光有源器件
3 ~ 6 eV
绝缘体： 无价带电子 禁带太宽
Ec
0.1 ~ 2 eV
半导体： 价带充满电子 禁带较窄
0.1 ~ 2 eV
满带电子激励成为 导带电子
Ev 外界能量激励
13
满带留下空穴
能带和电子分布
在热平衡状态下，能量为E 的能级被一个电子占据 的概率遵循费米（Fermi）分布，即
P( E ) 1 fc ( E ) 1 exp[( E Efc ) / kBT ]
激光器
发光二极管 探测器 调制器 光开关
5
光源的作用
把要传输的电信号转换成光信号发射去
(1)发射的光功率应足够大，而且稳定度要高 (2)调制方法简单 (3)光源发光峰值波长应与光纤低损耗窗口相匹配 (4)光源与光纤之间应有较高的耦合效率 (5)光源发光谱线宽度要窄，即单色性要好 (6)可靠性要高，必须保证系统能24h连续运转 (7)光源应该是低功率驱动[低电压、低电流)，而且 电光转 换效率要高
6
半导体光源的分类
能满足上述基本要求的光源是半导体光源。 半导体激光器(LD) 最常用的光源
中、长距离 大容量(高码速)系统
半导体发光二极管(LED)。
短距离、低容量系统 模拟系统。
7
半导体激光器的发明与发展
半导体激光器的发展大致经历了三个阶段：同质结激光器、异质结激 光器和量子阱结构激光器。在第一阶段，主要是对于半导体激光器基本理 论概念的提出。1953年9月，美国的冯· 纽曼（John Von Neumann）在 他的一篇未发表的论文手稿中论述了在半导体中产生受激发射的可能性。 1962年，美国的四个实验室几乎同时宣布研制成功同质结GaAs半导体激 光器。但它只能在液氮温度下脉冲工作，毫无实用价值。上述同质结构激 光器经历5年的徘徊，1967年，用液相外延的方法制成单异质结激光器， 实现了在室温下脉冲工作的半导体激光器。1970年，美国的贝尔实验室 制成了双异质结半导体激光器,实现了室温连续工作。由于半导体激光器 的诸多突出优点，之后，半导体激光器得到了迅猛发展。其发展速度之快、 应用范围之广，是目前任何其他激光器所无法比拟的。
绝缘体： 无价带电子 禁带太宽
Ec
0.1 ~ 2 eV
半导体： 价带充满电子 禁带较窄
0.1 ~ 2 eV
满带电子激励成为 导带电子
Ev 外界能量激励
13
满带留下空穴
能带和电子分布
在热平衡状态下，能量为E 的能级被一个电子占据 的概率遵循费米（Fermi）分布，即
P( E ) 1 fc ( E ) 1 exp[( E Efc ) / kBT ]
激光器
发光二极管 探测器 调制器 光开关
5
光源的作用
把要传输的电信号转换成光信号发射去
(1)发射的光功率应足够大，而且稳定度要高 (2)调制方法简单 (3)光源发光峰值波长应与光纤低损耗窗口相匹配 (4)光源与光纤之间应有较高的耦合效率 (5)光源发光谱线宽度要窄，即单色性要好 (6)可靠性要高，必须保证系统能24h连续运转 (7)光源应该是低功率驱动[低电压、低电流)，而且 电光转 换效率要高
6
半导体光源的分类
能满足上述基本要求的光源是半导体光源。 半导体激光器(LD) 最常用的光源
中、长距离 大容量(高码速)系统
半导体发光二极管(LED)。
短距离、低容量系统 模拟系统。
7
半导体激光器的发明与发展
半导体激光器的发展大致经历了三个阶段：同质结激光器、异质结激 光器和量子阱结构激光器。在第一阶段，主要是对于半导体激光器基本理 论概念的提出。1953年9月，美国的冯· 纽曼（John Von Neumann）在 他的一篇未发表的论文手稿中论述了在半导体中产生受激发射的可能性。 1962年，美国的四个实验室几乎同时宣布研制成功同质结GaAs半导体激 光器。但它只能在液氮温度下脉冲工作，毫无实用价值。上述同质结构激 光器经历5年的徘徊，1967年，用液相外延的方法制成单异质结激光器， 实现了在室温下脉冲工作的半导体激光器。1970年，美国的贝尔实验室 制成了双异质结半导体激光器,实现了室温连续工作。由于半导体激光器 的诸多突出优点，之后，半导体激光器得到了迅猛发展。其发展速度之快、 应用范围之广，是目前任何其他激光器所无法比拟的。
《集成光学第一章》课件
利用集成光学器件实现高灵敏度、高 分辨率的光学传感，用于环境监测、 生物医疗等领域。
2023
PART 02
集成光学的基本原理
REPORTING
光的波动理论
01
02
03
光的波动理论
描述光在介质中的传播行 为，包括光速、波长、频 率等物理量。
光的干涉
当两束或多束相干光波相 遇时，它们会相互叠加产 生明暗相间的干涉现象。
光的衍射
光波在传播过程中遇到障 碍物时，会绕过障碍物边 缘产生衍射现象。
光的干涉和衍射
光的干涉
01
当两束或多束相干光波相遇时，它们会相互叠加产生明暗相间
的干涉现象。
光的衍射
02
光波在传播过程中遇到障碍物时，会绕过障碍物边缘产生衍射
现象。
干涉和衍射的应用
03
在光学仪器、通信等领域有广泛的应用，如干涉仪、衍射光栅
2023
PART 05
集成光学的发展前景
REPORTING
新材料的应用
硅基材料
硅基材料在集成光学领域具有广泛的应用，其具有高折射 率、低损耗、易于加工等特点，可用于制造高性能的光波 导器件。
聚合物材料
聚合物材料具有柔韧性好、成本低等优点，适合大规模集 成和柔性光子器件的制造。
氮化硅材料
氮化硅材料具有高热导率、化学稳定性好等特点，可用于 制造高温、高稳定性的光波导器件。
息技术的重要发展方向。
光通信技术
光通信技术是以光波为信息载体，利用集成光学技术实现高速、 大容量的信息传输和处理，是未来通信领域的重要发展方向。
2023
REPORTING
THANKS
感谢观看
总结词
《集成光学课程简介》课件
认真阅读教材和课件，掌握基 本概念和原理
实验与实践环节安排
光波导器件实验
了解光波导器件的基本原理和特性
光子集成电路实验
了解光子集成电路的设计和制作过程
光子晶体实验
探究光子晶体的禁带特性和光子局域特性
应用领域实践
结合实际应用，进行集成光学器件的设计和 制作
THANK YOU
感谢聆听
总结词
集成光学通信系统利用集成光学器件 实现高速、大容量的光通信。
详细描述
集成光学通信系统具有传输速率高、 传输距离远、保密性好等优点，可应 用于数据中心、云计算等领域。
04
集成光学的前沿技术与发展趋势
光子晶体技术
总结词
光子晶体是一种具有光子带隙的人工微结构材料，能够控制光子在特定频率范围 内的传播。
光波导器件的基本原理
80%
光波导器件定义
利用光波导原理制成的各种光学 器件，如分束器、耦合器、调制 器等。
100%
光波导器件的工作原理
通过改变光波导的结构、形状或 材料参数等手段，实现对光波导 中光的操控，从而实现不同的光 学功能。
80%
光波导器件的应用
在光纤通信、光计算、光传感等 领域有广泛的应用。
详细描述
光子晶体技术利用光子晶体对光的独特调控能力，在集成光学领域中实现了一系 列创新应用，如光子晶体激光器、光子晶体光纤等。光子晶体技术为集成光学的 发展提供了新的可能性，有望在未来实现更高效、更紧凑的光子器件。
光子集成电路技术
总结词
光子集成电路是一种集成了多个光器件的光波导型集成回路，可以实现光信号的产生、调制、探测等功能。
详细描述
集成光子器件具有高效、紧凑、低成本等优点，可实现光信 号的产生、调制、探测等功能，广泛应用于光通信、光计算 等领域。
《集成光学课程简介》课件
发展历程
集成光学的历史可以追溯到20世纪60年代，当时还只是一个小众领域的研究 方向。经过几十年的发展，现在集成光学已经广泛应用于光纤通信、传感、 医疗等领域，成为了光学技术的重要分支。
基本原理
波导结构
集成光学器件的基本组成部分 是波导结构，它通过控制介质 折射率的变化，将光束导引在 芯片中进行传输。
总结和展望
通过学习本课程，我们了解到了集成光学领域的基础知识、应用以及未来发展方向。在未来，集成光学 有望在电子信息以及医疗等诸多领域发挥重要作用，成为推动技术进步和社会发展的重要力量。
《集成光学课程简介》 PPT课件
本课程旨在介绍集成光学的基本原理、器件分类、应用以及未来展望。欢迎 大家一同探索这个迅猛发展的领域。
概述
随着信息技术的发展，集成光学已经走到了人们的视野里。集成光学通过将光学器件集成在同一芯片上， 使得光的传输更加高效、稳定。今天，我们就来一窥这一重要技术的发展历程及基本原理。
干涉效应
利用干涉效应可以实现光的调 制和解调，是集成光学器件实 现信号处理的基本原理。
光子晶体
光子晶体是新型的光学材料， 它的光子带隙结构可以实现对 于不同波长光的筛选和传输， 因而成为了制备光滤波器的重 要方法。
器件分类介绍
光开关
光开关是一种能够在线路中实现光学信号转 换的集成器件，从而实现光的调控、切换等 功能。
光开关网络
2
长的光信号合并在一起进行传输，提 高通讯网络的传输能力。
通过光开关器件的调控，可以实现拓
扑结构的改变，从而更好地满足不同
网络应用的需求。
3
光纤传输
光集成技术实现了大规模的光分路器 以及复杂的光学网络，为光纤通信的 发展提供了重要的支撑。
集成光学ppt课件 第二章第2节 平板波导的射线光学理论
而12 0
TE波的色散方程变为
1
w k0 n 1 2n2 2marctan n n 1 2 2 2 n n3 2 2 2 2,m 0,1 ,2
故某一模式的截止波长为
w
cTE2
1 n12n22
marctann n122 2 n n3 22 21 2
T E 模
n 1 2 n e 2 ff 1 2k 0 w m a rc ta n n n 1 2 2 2 n n 1 e 2 2 ff n n e 2 f2 f 2 1 2 a rc ta n n n 1 3 2 2 n n 1 e 2 2 ff n n e 2 f3 2 f 1 2
§2.2平板波导的射线光学理论
• 2.2.1光波导的分类 • (a)平板波导(slab waveguide) • (b)条形波导(strip waveguide) • (c)圆柱波导(cylindrical waveguide)
平板波导
n3cladding
n1 core n2substract
c 1 3 i c 1 2 时 ， 形 成 衬 底 辐 射 波 ；
i c 1 2 且 c 1 3 时 ， 形 成 传 导 波 或 导 行 波 。
2.2.2 用射线方法研究平板光波导的导模
h n1 k0
1. 波矢的横向分量
把波矢分解为平行于波导的分量（相位常数为β）和垂直 于波导的分量（相位常数为h），三者关系为：
T M 模
如何理解模的概念？
(1)模式是光波导中一个常用的概念。 (2)从数学方面理解，模式是满足亥姆霍兹方程其在波导中心
《集成光学第一章》课件
《集成光学第一章》PPT 课件
集成光学技术是将多种光学器件集成在一起，实现复杂光学功能的技术。本 课程介绍集成光学的基础理论、器件设计及封装技术，并展望未来的发展方 向。
一、概述
定义
集成光学技术将多种光学器件集成在一起，实现复杂光学功能。
优势
集成光学器件具有体积小、功耗低、集成度高等优势。
应用领域
单模光纤器件
介绍基于单模光纤的光学器件设计和应用。
四、光学波导器件的模拟和设计
光波导的传输特性
分析光波导的传输特性并 进行模拟和设计。
三层胶片波导模拟和 设计实验
介绍三层胶片波导的模拟 和设计实验。
带光纤连接的平面波 导模拟和设计实验
讲解带光纤连接平面波导 的模拟和设计实验。
五、射频和微波集成光学器件
集成光学技术广泛应用于通信、传感、医疗等领域。
二、基础理论
光的传播和衍射
介绍光在介质中的传播规 律以及衍射现象。
光的干涉和衍射
解释干涉和衍射现象对光 的操控。
光学中的波导
介绍光在波导结构中的传 输和限制。
三、光波导器件
波导耦合器件
讲解波导之间的耦合以及其在光学器件中的应用。
光栅耦合器件
探讨通过光栅实现波导之间耦合的器件。
光电调制器
讲解光电调制器在射频和微波集成光学中的 应用。
光放大器
探讨光放大器在射频和微波集成光学中的应 的原理和在集成光学器件中 的应用。
激光器
介绍激光器的原理和在射频和微波集成光学 中的应用。
六、集成光学器件封装和测试
封装技术
讲解集成光学器件的封装技术和封装过程。
测试技术
介绍集成光学器件的测试方法和测试技术。
集成光学技术是将多种光学器件集成在一起，实现复杂光学功能的技术。本 课程介绍集成光学的基础理论、器件设计及封装技术，并展望未来的发展方 向。
一、概述
定义
集成光学技术将多种光学器件集成在一起，实现复杂光学功能。
优势
集成光学器件具有体积小、功耗低、集成度高等优势。
应用领域
单模光纤器件
介绍基于单模光纤的光学器件设计和应用。
四、光学波导器件的模拟和设计
光波导的传输特性
分析光波导的传输特性并 进行模拟和设计。
三层胶片波导模拟和 设计实验
介绍三层胶片波导的模拟 和设计实验。
带光纤连接的平面波 导模拟和设计实验
讲解带光纤连接平面波导 的模拟和设计实验。
五、射频和微波集成光学器件
集成光学技术广泛应用于通信、传感、医疗等领域。
二、基础理论
光的传播和衍射
介绍光在介质中的传播规 律以及衍射现象。
光的干涉和衍射
解释干涉和衍射现象对光 的操控。
光学中的波导
介绍光在波导结构中的传 输和限制。
三、光波导器件
波导耦合器件
讲解波导之间的耦合以及其在光学器件中的应用。
光栅耦合器件
探讨通过光栅实现波导之间耦合的器件。
光电调制器
讲解光电调制器在射频和微波集成光学中的 应用。
光放大器
探讨光放大器在射频和微波集成光学中的应 的原理和在集成光学器件中 的应用。
激光器
介绍激光器的原理和在射频和微波集成光学 中的应用。
六、集成光学器件封装和测试
封装技术
讲解集成光学器件的封装技术和封装过程。
测试技术
介绍集成光学器件的测试方法和测试技术。
集成光学ppt课件 第二章第1节 平面介质光波导理论
对于各向同性介质来说，相关的物质方程为
相对介电常数
D 0 E P = E = r0 E
介质磁导率
介电常数 真空介电常数
B H r 0H
J E 介质相对磁导率 真空磁导率
介质电导率
对于各向异性介质， , 是二阶张量。
3
Di ij E j i, j 1 3
Bi ij H j i, j 1
第二章 平面介质光波导理论
§2.1 电磁场基本方程 平面电磁波
2.1.1 麦克斯韦方程 物质方程 边界条件
根据经典理论，电磁场的基本规律可以用麦克斯韦方程表述，为：
E B t D
HJ t
D
B0
要能从给定的电流和电荷分布唯一地确定各个场矢量，还必 须对麦克斯韦方程组补充一些描述物质在电磁场作用下的特 性的经验关系式，它们称为物质方程。
满足缓变条件。因此上面形式的波动方程是分析光波导中光
波传播的基本方程。
与机械波的波动方程
2 1
v2
2
t2
0
相比较，可见在各向同性均匀非磁性介质中传播的电磁波的
波速为
v 1 0
按照麦克斯韦所创立的光的电磁理论，这就是在介质中的光 速。在真空中的光速为
c 1 00
介质中的折射率为 n c v
0
波振幅的极大值由
t k z m （ m = 0 , 1 , 2 L ）
给出！
波长略不相同的两个光波沿同一方向传输时干涉产生一个幅 度以群速度运动的波包
+
包络
E max
E max
群速度：表征光信号包络的传输速度
vg d dk
相速度
costkz
costddkz
－k曲线形状决定了群速度g和相速度p
相对介电常数
D 0 E P = E = r0 E
介质磁导率
介电常数 真空介电常数
B H r 0H
J E 介质相对磁导率 真空磁导率
介质电导率
对于各向异性介质， , 是二阶张量。
3
Di ij E j i, j 1 3
Bi ij H j i, j 1
第二章 平面介质光波导理论
§2.1 电磁场基本方程 平面电磁波
2.1.1 麦克斯韦方程 物质方程 边界条件
根据经典理论，电磁场的基本规律可以用麦克斯韦方程表述，为：
E B t D
HJ t
D
B0
要能从给定的电流和电荷分布唯一地确定各个场矢量，还必 须对麦克斯韦方程组补充一些描述物质在电磁场作用下的特 性的经验关系式，它们称为物质方程。
满足缓变条件。因此上面形式的波动方程是分析光波导中光
波传播的基本方程。
与机械波的波动方程
2 1
v2
2
t2
0
相比较，可见在各向同性均匀非磁性介质中传播的电磁波的
波速为
v 1 0
按照麦克斯韦所创立的光的电磁理论，这就是在介质中的光 速。在真空中的光速为
c 1 00
介质中的折射率为 n c v
0
波振幅的极大值由
t k z m （ m = 0 , 1 , 2 L ）
给出！
波长略不相同的两个光波沿同一方向传输时干涉产生一个幅 度以群速度运动的波包
+
包络
E max
E max
群速度：表征光信号包络的传输速度
vg d dk
相速度
costkz
costddkz
－k曲线形状决定了群速度g和相速度p
集成光学概论教学课件
1.2.2 集成光路与集成电路的比较
把激光器、调制器、探测器等有源器件集成在同一衬底上， 并用光波导、隔离器、耦合器和滤波器等无源器件连接起来 构成的微型光学系统称为集成光路，以实现光学系统的薄膜 化、微型化和集成化。 用集成光路代替集成电路的优点包括带宽增加，波分复用， 多路开关。耦合损耗小，尺寸小，重量轻，功耗小，成批 制备经济性好，可靠性高等。由于光和物质的多种相互作 用，还可以在集成光路的构成中，利用诸如光电效应、电 光效应、声光效应、磁光效应、热光效应等多种物理效应， 实现新型的器件功能。
光子计算机：
光子计算机是一种全新的计算机，是以光子作为主要的信息 载体，以光子系统作为计算机的主体，以光运算作为计算机 运算方式的计算机。
光子计算机的优点：
(a)具有超高的运算速度 ——串行电子计算机的极限速度是1010次/秒， 而 光 子 计 算 机 的 理 论 计 算 速 度 达 1023 次 / 秒 ， 在 技 术 上 可 实 现 1012~1015次/秒的计算速度
参考书目
• 《集成光学器件导论》，陈福深、杨拥军、孙豹 等，机械工业 出版社，2010年1月第1版
• 《光波导原理与器件》，宋贵才、全薇、蔡红星、雷建国 等， 清华大学出版社，2012年1月第1版
• 《高等光学仿真（MATLAB版）：光波导·激光》，欧攀，北京 航空航天大学出版社，2011年7月第1版
1970年研制成功了低损耗光纤，目前光纤的传输损耗已经降 低到了0.2dB/km以下。 1972年，Somekh和Yariv提出了在同一个半导体衬底上同 时集成光器件和电子器件的构想。
1987 年 ， Yablonovitch 和 John 大 约 同 时 提 出 了 光 子 晶 体 （photonic crystal, PC）的概念。
集成光学PPT课件
2021/6/16
3
• 三维光波导(3-D optical waveguide)，或通道光波导 (optical channel waveguide)
2021/6/16
4
2.2 折射率突变型二维光波导
❖ 光波的传播方式与模 ❖ 波动方程 ❖ 波导模的色散 ❖ 波导层等效厚度 ❖ 金属覆盖引起的传输损耗 ❖ 缓冲层的作用
2021/6/16
28
2021/6/16
29
2021/6/16
30
2021/6/16
31
2.6 波导光的散射与传输损耗
2021/6/16
32
结束语
若有不当之处，请指正，谢谢！
2021/6/16
5
1. 光波的传输方式与模
2021/6/16
6
2. 波动方程
2021/6/16
7
3. 波导模的色散
2021/6/16
8
4. 波导层等效厚度
2021/6/16
9
5. 金属覆盖引起的传输损耗
2021/6/16
10
6. 缓冲层的作用
2021/6/16
11
2.3 折射率渐变型二维光波导
第2章 光波导理论
❖ 光波导概述 ❖ 折射率突变型二维光波导 ❖ 折射率渐变型二维光波导 ❖ 三维光波导 ❖ 三维光波导的实例 ❖ 波导光的散射与传输损耗
2021/6/16
1
2.1 光波导概述
❖ 在以玻璃为代表的透明介 质衬底的表面上，附着上 折射率比衬底略高、厚度 可以与光波长相比较的薄 膜，光就会被封闭于这种 高折射率的薄膜层内构成 波导。
❖ 导模的光线近似法解析 ❖ 导模的WKB法解析
2024版《光学》全套课件
《光学》全套课件CONTENTS •光的本质与传播•几何光学基础•波动光学基础•量子光学基础•非线性光学简介•现代光学技术发展趋势光的本质与传播01光的波粒二象性光的波动性质光在传播过程中表现出波动性，如干涉、衍射等现象。
光的粒子性质光在与物质相互作用时表现出粒子性，如光电效应、康普顿散射等现象。
波粒二象性的统一光既具有波动性又具有粒子性，二者是统一的，可以用波函数来描述。
光在真空中传播的速度最快，约为3×10^8米/秒。
光在不同介质中传播速度不同，与介质的折射率有关。
折射率越大，光在该介质中传播速度越慢。
光在真空中的传播速度光在介质中的传播速度折射率与光速关系光的传播速度与介质关系光的直线传播与衍射现象光的直线传播光在同一种均匀介质中沿直线传播。
光的衍射现象光在传播过程中遇到障碍物或小孔时，会偏离直线传播方向，发生衍射现象。
衍射的种类根据障碍物或孔的尺寸不同，衍射现象可以分为夫琅禾费衍射和菲涅尔衍射等。
光的偏振与旋光性光的偏振现象光波在某些方向上振动较强，而在另一些方向上振动较弱或没有振动的现象称为偏振。
偏振光的产生与检测通过偏振片可以获得偏振光，利用检偏器可以检测偏振光。
旋光性某些物质能使偏振光的振动平面发生旋转的现象称为旋光性，具有旋光性的物质称为旋光物质。
几何光学基础02光线与光束概念及分类光线定义表示光传播方向的几何线，忽略光的波动性质。
光束分类平行光束、发散光束、会聚光束等。
反射定律与折射定律应用反射定律入射光线、反射光线、法线在同一平面内，且入射角等于反射角。
折射定律入射光线、折射光线、法线在同一平面内，且入射角的正弦与折射角的正弦之比等于两种介质的折射率之比。
透镜成像原理及性质分析透镜成像基本原理光线经过透镜后发生偏折，形成实像或虚像。
透镜性质分析焦距、焦度、透过率等参数对成像的影响。
光学仪器基本原理介绍望远镜利用透镜或透镜组来放大远处物体的视角，使远处物体看起来更近、更大。
《集成光学第一章》课件
抑制反射
通过优化光波导的结构和材料，可以有效地抑制 反射，提高光的传输效率。
弯曲和扭曲
光波导可以被塑造成各种形状，以适应不同的应 用场景，例如在医疗、军事和科研领域。
光波导的应用
医疗领域
fabs技术可以将光波导植入人体内部，用于 治疗各种疾病，如心脏病、肿瘤等。
军事领域
光波导在军事领域有广泛的应用，例如在导弹制导 、夜视和红外探测等方面。
光信号处理的应用实例
光信号处理在通信领域的应用非常广泛，它可以实现高速、大容量的数据传输和信号处理。例如，利用光干涉技术可以实现 光纤通信中的波长分复用和相干接收；利用光衍射技术可以实现自由空间光通信中的多路复用和超分辨成像；利用光偏振技 术可以实现高速光纤陀螺中的偏振态检测和调制。
光信号处理在生物医学领域也有广泛的应用，它可以实现对生物分子和细胞的检测和分析。例如，利用光干涉技术可以实现 生物传感器中的表面等离子体共振成像；利用光衍射技术可以实现细胞分类和计数；利用光偏振技术可以实现生物分子取向 和构象的检测和分析。
集成光学在能源领域的应用
随着可再生能源的发展，集成光学在能源领域的 应用也将得到拓展，如太阳能光热转换、光子能 量收集等。
集成光学面临的挑战与机遇
技术挑战
集成光学技术需要高精度、高稳定性 的制造和加工技术，同时还需要解决 光子器件之间的耦合问题。
应用挑战
机遇
随着科技的不断进步和应用需求的增 加，集成光学将迎来更多的发展机遇 ，如光子集成电路的商业化应用、生 物医疗领域的光子技术等。
集成光学技术的应用需要与具体领域 的需求相结合，需要解决实际应用中 的问题，如可靠性、稳定性等。
未来集成光学的发展方向
探索新型的光子器件和材料
通过优化光波导的结构和材料，可以有效地抑制 反射，提高光的传输效率。
弯曲和扭曲
光波导可以被塑造成各种形状，以适应不同的应 用场景，例如在医疗、军事和科研领域。
光波导的应用
医疗领域
fabs技术可以将光波导植入人体内部，用于 治疗各种疾病，如心脏病、肿瘤等。
军事领域
光波导在军事领域有广泛的应用，例如在导弹制导 、夜视和红外探测等方面。
光信号处理的应用实例
光信号处理在通信领域的应用非常广泛，它可以实现高速、大容量的数据传输和信号处理。例如，利用光干涉技术可以实现 光纤通信中的波长分复用和相干接收；利用光衍射技术可以实现自由空间光通信中的多路复用和超分辨成像；利用光偏振技 术可以实现高速光纤陀螺中的偏振态检测和调制。
光信号处理在生物医学领域也有广泛的应用，它可以实现对生物分子和细胞的检测和分析。例如，利用光干涉技术可以实现 生物传感器中的表面等离子体共振成像；利用光衍射技术可以实现细胞分类和计数；利用光偏振技术可以实现生物分子取向 和构象的检测和分析。
集成光学在能源领域的应用
随着可再生能源的发展，集成光学在能源领域的 应用也将得到拓展，如太阳能光热转换、光子能 量收集等。
集成光学面临的挑战与机遇
技术挑战
集成光学技术需要高精度、高稳定性 的制造和加工技术，同时还需要解决 光子器件之间的耦合问题。
应用挑战
机遇
随着科技的不断进步和应用需求的增 加，集成光学将迎来更多的发展机遇 ，如光子集成电路的商业化应用、生 物医疗领域的光子技术等。
集成光学技术的应用需要与具体领域 的需求相结合，需要解决实际应用中 的问题，如可靠性、稳定性等。
未来集成光学的发展方向
探索新型的光子器件和材料
光电子物理基础 第六章 集成光学
面处连续
讨论 1. β > k0n2，三个区域内， Σ(x)为指数函数，
没意义。 2. k0n2>β>(k0n3,k0n1),区域1，3内Σ(x) 为指数
函数，2内为正弦函数。能量被限制在层2 内，称为束缚模或导模。 3. k0n3>β>k0n1，区域1内Σ(x)为指数函数，2， 3内为正弦函数。称为衬底辐射模。 4. (k0n3, k0n2 , k0n1) >β,三个区域内， Σ(x)为正 弦函数，称为波导辐射模。 结论：导模存在的条件：k0n2>β>(k0n3,k0n1)
半导体激光器的解理面反馈 同质结；异质结；双异质结 2.双异质结半导体激光器 3.生长台面型激光器 图6-8中6:p-GaAs
5:p-AlxGa1-xAs 4:p-GaAs
3:n- AlxGa1-xAs 2:外部波导 1:光约束层
4.分布反馈技术
布分拉 布格 反反 射射 光栅中2dsBin9B0 ,
2)集成DBR(分布布拉格反射式)激光器
2 23
2 arctan( p )
对TM波
212
2
arctan(
n22 n12
q)
2 23
2
arctan(
n22 n32
p)
其中p、q为消逝系数 p ( 2 k02n32 )1/2
q ( 2 k02n12 )1/ 2
反射波发生相位突变的物理意义
全反射时，光穿入约束层内一定厚度，导 致反射波与入射波相位的不连续
得到方程组 区域 1
区域2
区域 3
边界条件：Σ(x)和 在1-2，2-3界
2y (
x 2 2y (
x 2 2y (
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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
第四章 集成光无源器件
1
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
2
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
• 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
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集成光无源器件
• • • • 体积小、重量轻、集成度高 机械性能以及环境稳定性好 容易精确控制、重复性好 制作工艺与集成电路工艺相兼容，可以方便与其它光电子集成器件集 成于一个衬底上，实现单片集成的目的 • 虽然前期投入较大，但是在工艺成熟后很容易大批量生产，从而大大 降低单个器件的成本。
• 光隔离器与环形器
3
光子产业
• 光电子产业：
以光技术为核心，结合微电子与 半导体技术，形成的各类器件、 组件、设备、服务等应用市场 的总和。广泛应用于信息、能 源、材料、航空航天、生命科 学、环境科学和国防军事等领 域。
• 绿色光电子产业：
以节能、环保、健康、安全为 特征的光电子技术，是现代光电产业发展的新趋势，是可持 续发展的必然要求。
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密集波分技术
• • • • 容量超大，光纤的巨大带宽资源 数据透明，与信号的速率和调制方式无关 扩容方便，波长的复用 成本低廉，节约大量光纤
光传输的划ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ代革命
15
光器件： 光通信网络的基础
TDM WDM TDM WDM
传 输 网
交 换 网
接 入 网
用 户 网
光 有 源 器 件 支撑基础： 光 无 源 器 件
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 调制器 三通（多通） 混频器 频率转换器 电源 探头 集成电路 光调制器 光耦合器 光波分复用器 光波长转换器 光源 光探测器 集成光路
8
光有源和无源器件
光电子器件类型（通信）
6
光纤通信用光电子器件
发射 •激光器 •调制器 •波长锁定 •接收器 •探测器 •收发模块
波分复用
放大器 •隔离器 •分路耦合器 •泵浦激光器 •增益平坦器件 •光衰减器 •掺铒光纤放大器 •拉曼放大器 •半导体光放大器
7
光开关 •光交换开关 •耦合器 •上下路模块
•薄膜滤波器 •光纤光栅 •阵列波导光栅 •环行器 •波长交换器
按是否需要外加能源驱动工作分： • 光有源器件 • 光无源器件
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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
国内领军企业
一批世界知名、国内一流的民 族企业，引领国内同行 （华为、中兴、莱宝、大族等 ）
广东已形成明显的光电子产业带：广州、深圳、惠 州、东莞、佛山、珠海和中山地区。 广东光电子技术和产业发展水平总体上代表着国家 参与国际光电子领域竞争的综合实力与核心竞争力。
5
光通信产业
包括：
• 1、各种规格的光纤和光缆，包括各种掺杂光纤、特殊结构光纤（保 偏光纤、色散渐变光纤、色散补偿光纤、大孔径光纤等）、光子晶体 光纤和塑料光纤； • 2、各种有源器件（激光器、发光管、探测器、放大器、发射模块、 接收模块等）和无源器件（耦合器、滤波器、衰减器、隔离器、环形 器、连接器、光互联、光分叉复用、光波分复用以及包含这些功能的 各种集成光子器件等； • 3、各种光通信测试仪器（功率计、波长计、光纤光谱分析仪、宽带 放大器、反射信号测试仪、信号发生器、通信信号分析仪等）与光纤 加工设备（光纤拉制机、光纤熔接机、光纤熔融拉锥机、光纤刻蚀机、 光纤抛磨机） • 4、光通信系统（时分复用、波分复用）和光网络系统（远程网、城 域网、接入网）
• 光电子成为“绿色”的五个关键要素（美国光电子产业发展协会）： 能够清洁可持续地产生或节约能量 减少污染 为环境创造可持续的发展 改善公众健康 降低温室效应气体的排放量
4
广东的光电子产业
光电子产业是广东省最重要的支柱性产业之一。
广东拥有全国最大光电子企业集群
跨国企业
美国、欧洲、日本等国际 跨国光电子企业落户广东 (科锐、欧士朗、光联等)
11
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。
12
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
16
光通信的发展现状
• 经历了本世纪初的光通信泡沫沉寂多年后，光通 信近年来呈现出新一轮的发展。不同于以往的盲 目扩张，这次的迅速发展动力来自于是实实在在 的市场需求，也就是“带宽”。随着交互式网络 电视IPTV、网络游戏等高带宽业务的出现，人们 对带宽的需求急剧增加，光纤从光网络的干线网 络、城域网络向接入网延伸。作为 “最后一公里” 的解决方法，光纤到户（Fiber to the Home，简 称FTTH）以及无源光网络（Passive Optical Network，简称PON）近年来在全球范围内的大 面积的铺开，增加了对集成光器件的需求，极大 地促进了相关集成光子器件的发展。
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
第四章 集成光无源器件
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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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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
• 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
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集成光无源器件
• • • • 体积小、重量轻、集成度高 机械性能以及环境稳定性好 容易精确控制、重复性好 制作工艺与集成电路工艺相兼容，可以方便与其它光电子集成器件集 成于一个衬底上，实现单片集成的目的 • 虽然前期投入较大，但是在工艺成熟后很容易大批量生产，从而大大 降低单个器件的成本。
• 光隔离器与环形器
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光子产业
• 光电子产业：
以光技术为核心，结合微电子与 半导体技术，形成的各类器件、 组件、设备、服务等应用市场 的总和。广泛应用于信息、能 源、材料、航空航天、生命科 学、环境科学和国防军事等领 域。
• 绿色光电子产业：
以节能、环保、健康、安全为 特征的光电子技术，是现代光电产业发展的新趋势，是可持 续发展的必然要求。
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密集波分技术
• • • • 容量超大，光纤的巨大带宽资源 数据透明，与信号的速率和调制方式无关 扩容方便，波长的复用 成本低廉，节约大量光纤
光传输的划ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ代革命
15
光器件： 光通信网络的基础
TDM WDM TDM WDM
传 输 网
交 换 网
接 入 网
用 户 网
光 有 源 器 件 支撑基础： 光 无 源 器 件
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 调制器 三通（多通） 混频器 频率转换器 电源 探头 集成电路 光调制器 光耦合器 光波分复用器 光波长转换器 光源 光探测器 集成光路
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光有源和无源器件
光电子器件类型（通信）
6
光纤通信用光电子器件
发射 •激光器 •调制器 •波长锁定 •接收器 •探测器 •收发模块
波分复用
放大器 •隔离器 •分路耦合器 •泵浦激光器 •增益平坦器件 •光衰减器 •掺铒光纤放大器 •拉曼放大器 •半导体光放大器
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光开关 •光交换开关 •耦合器 •上下路模块
•薄膜滤波器 •光纤光栅 •阵列波导光栅 •环行器 •波长交换器
按是否需要外加能源驱动工作分： • 光有源器件 • 光无源器件
9
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
国内领军企业
一批世界知名、国内一流的民 族企业，引领国内同行 （华为、中兴、莱宝、大族等 ）
广东已形成明显的光电子产业带：广州、深圳、惠 州、东莞、佛山、珠海和中山地区。 广东光电子技术和产业发展水平总体上代表着国家 参与国际光电子领域竞争的综合实力与核心竞争力。
5
光通信产业
包括：
• 1、各种规格的光纤和光缆，包括各种掺杂光纤、特殊结构光纤（保 偏光纤、色散渐变光纤、色散补偿光纤、大孔径光纤等）、光子晶体 光纤和塑料光纤； • 2、各种有源器件（激光器、发光管、探测器、放大器、发射模块、 接收模块等）和无源器件（耦合器、滤波器、衰减器、隔离器、环形 器、连接器、光互联、光分叉复用、光波分复用以及包含这些功能的 各种集成光子器件等； • 3、各种光通信测试仪器（功率计、波长计、光纤光谱分析仪、宽带 放大器、反射信号测试仪、信号发生器、通信信号分析仪等）与光纤 加工设备（光纤拉制机、光纤熔接机、光纤熔融拉锥机、光纤刻蚀机、 光纤抛磨机） • 4、光通信系统（时分复用、波分复用）和光网络系统（远程网、城 域网、接入网）
• 光电子成为“绿色”的五个关键要素（美国光电子产业发展协会）： 能够清洁可持续地产生或节约能量 减少污染 为环境创造可持续的发展 改善公众健康 降低温室效应气体的排放量
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广东的光电子产业
光电子产业是广东省最重要的支柱性产业之一。
广东拥有全国最大光电子企业集群
跨国企业
美国、欧洲、日本等国际 跨国光电子企业落户广东 (科锐、欧士朗、光联等)
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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。
12
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
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光通信的发展现状
• 经历了本世纪初的光通信泡沫沉寂多年后，光通 信近年来呈现出新一轮的发展。不同于以往的盲 目扩张，这次的迅速发展动力来自于是实实在在 的市场需求，也就是“带宽”。随着交互式网络 电视IPTV、网络游戏等高带宽业务的出现，人们 对带宽的需求急剧增加，光纤从光网络的干线网 络、城域网络向接入网延伸。作为 “最后一公里” 的解决方法，光纤到户（Fiber to the Home，简 称FTTH）以及无源光网络（Passive Optical Network，简称PON）近年来在全球范围内的大 面积的铺开，增加了对集成光器件的需求，极大 地促进了相关集成光子器件的发展。