(集成光电子学导论)第六章常见光波导材料与结构
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集成光波导
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13sin 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。
《光波导理论与技术》课件
光计算和光传感等领域。
塑料光波导
塑料光波导具有柔韧性好、制备工 艺简单等优点，在消费电子、汽车 和医疗等领域有广泛应用前景。
玻璃光波导
玻璃光波导具有高透过率、低损耗 等优点，在高端光学仪器和特种应 用领域有重要应用。
光波导技术发展趋势
低损耗、高性能
随着光通信和光计算技术的发展，对光波导的性能要求越来越高 ，低损耗、高性能成为光波导技术的重要发展方向。
光波导的传输模式
要点一
总结词
光波导的传输模式是指光波在光波导中传播时的场分布形 态，不同的模式具有不同的能量分布和传输特性。传输模 式的研究对于光波导器件的性能优化和设计具有重要意义 。
要点二
详细描述
在光波导中，由于光波的传播受到边界条件的限制，其场 分布形态呈现出不同的模式。这些模式决定了光波的能量 分布、传输方向和相位等特性。通过对传输模式的研究， 可以深入了解光波在光波导中的传播行为，为设计高性能 的光波导器件提供重要的理论依据。在实际应用中，根据 需要选择合适的传输模式是实现高效、稳定的光信号传输 的关键。
02
光波导器件
光波导调制器
01 调制器原理
光波导调制器利用电场对光波的相位或振幅进行 调制，实现光信号的开关、调制等功能。
02 调制速度
光波导调制器的调制速度非常快，可达到几十吉 赫兹甚至更高。
03 调制方式
光波导调制器可以采用电吸收、电光效应、热光 效应等多种方式进行调制。
光波导放大器
01 放大原理
THANKS
感谢观看
集成化、小型化
随着微纳加工技术的发展，光波导的集成化和小型化成为可能，这 将有助于提高光波导的集成度和降低成本。
多功能化
光波导的应用领域不断拓展，需要实现更多的功能，如波长选择、 模式控制等，多功能化成为光波导技术的重要发展趋势。
塑料光波导
塑料光波导具有柔韧性好、制备工 艺简单等优点，在消费电子、汽车 和医疗等领域有广泛应用前景。
玻璃光波导
玻璃光波导具有高透过率、低损耗 等优点，在高端光学仪器和特种应 用领域有重要应用。
光波导技术发展趋势
低损耗、高性能
随着光通信和光计算技术的发展，对光波导的性能要求越来越高 ，低损耗、高性能成为光波导技术的重要发展方向。
光波导的传输模式
要点一
总结词
光波导的传输模式是指光波在光波导中传播时的场分布形 态，不同的模式具有不同的能量分布和传输特性。传输模 式的研究对于光波导器件的性能优化和设计具有重要意义 。
要点二
详细描述
在光波导中，由于光波的传播受到边界条件的限制，其场 分布形态呈现出不同的模式。这些模式决定了光波的能量 分布、传输方向和相位等特性。通过对传输模式的研究， 可以深入了解光波在光波导中的传播行为，为设计高性能 的光波导器件提供重要的理论依据。在实际应用中，根据 需要选择合适的传输模式是实现高效、稳定的光信号传输 的关键。
02
光波导器件
光波导调制器
01 调制器原理
光波导调制器利用电场对光波的相位或振幅进行 调制，实现光信号的开关、调制等功能。
02 调制速度
光波导调制器的调制速度非常快，可达到几十吉 赫兹甚至更高。
03 调制方式
光波导调制器可以采用电吸收、电光效应、热光 效应等多种方式进行调制。
光波导放大器
01 放大原理
THANKS
感谢观看
集成化、小型化
随着微纳加工技术的发展，光波导的集成化和小型化成为可能，这 将有助于提高光波导的集成度和降低成本。
多功能化
光波导的应用领域不断拓展，需要实现更多的功能，如波长选择、 模式控制等，多功能化成为光波导技术的重要发展趋势。
(集成光电子学导论)第六章常见光波导材料与结构
人类毛发的直径 1 微米
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
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电子科技大学集成光学考点大全
平板光波导中沿z方向的传播常数记为，它与真空中的波数之间的比值定义为有效折射率N
平板光波导中的导模除了满足全反射以外，还应该满足横向谐振条件，即光在波导层的两个界面往返一次，在x方向上应该满足相涨相干条件（同相位）。
对称平板光波导:基模不截止（m=0），即无论如何都存在。
非对称平板光波导:基模可能截止，即有可能不存在。
电光效应：某些晶体（各向异性介质）在外加电场的作用下，其折射率发生变化，当光波通过此介质时，传播特性就受到影响而随着电场的变化规律改变。
M-Z型电光波导强度调制器
声光效应是指声波与光波的相互作用，具体地说，就是光波被介质内的超声波衍射或散射的现象，声光效应是弹光效应的一种表现。
根据声波和光波的波长以及相互作用区域的长度L的相对大小，存在两种不同的极端声光衍射现象：拉曼-奈斯衍射[低频，面相位光栅]和布拉格衍射[高频，体相位光栅]。
布拉格衍射的显著特点：衍射光强分布不对称，而且只有零级和+1或-1级衍射光。布拉格衍射由于效率高，且调制带宽较宽，故多被采用。
声光调制是利用声光效应将信息加载于光频载波上的一种物理过程。
磁光效应：光与磁场中的物质，或者光与具有自发磁化强度的物质之间相互作用所产生的各种现象。主要包括法拉第效应和科顿-穆顿效应。
粒子数反转分布（必要条件)+激活物质置于光学谐振腔中，对光的频率和方向进行选择=连续的光放大和激光振荡输出。
激光稳定工作的2个条件：合适的谐振腔，增益大于或等于总损耗
激光振荡的相位调条件：L=
间接跃迁需要光子和声子两者参与，而直接跃迁仅需要光子参加，所以直接带隙半导体比间接带隙半导体在光学上更为有效。
回转器是指这样一种非互易器件，它能够使正向和反向传播的光波之间产生π弧度的相位差。了解隔离器，环形器。
平板光波导中的导模除了满足全反射以外，还应该满足横向谐振条件，即光在波导层的两个界面往返一次，在x方向上应该满足相涨相干条件（同相位）。
对称平板光波导:基模不截止（m=0），即无论如何都存在。
非对称平板光波导:基模可能截止，即有可能不存在。
电光效应：某些晶体（各向异性介质）在外加电场的作用下，其折射率发生变化，当光波通过此介质时，传播特性就受到影响而随着电场的变化规律改变。
M-Z型电光波导强度调制器
声光效应是指声波与光波的相互作用，具体地说，就是光波被介质内的超声波衍射或散射的现象，声光效应是弹光效应的一种表现。
根据声波和光波的波长以及相互作用区域的长度L的相对大小，存在两种不同的极端声光衍射现象：拉曼-奈斯衍射[低频，面相位光栅]和布拉格衍射[高频，体相位光栅]。
布拉格衍射的显著特点：衍射光强分布不对称，而且只有零级和+1或-1级衍射光。布拉格衍射由于效率高，且调制带宽较宽，故多被采用。
声光调制是利用声光效应将信息加载于光频载波上的一种物理过程。
磁光效应：光与磁场中的物质，或者光与具有自发磁化强度的物质之间相互作用所产生的各种现象。主要包括法拉第效应和科顿-穆顿效应。
粒子数反转分布（必要条件)+激活物质置于光学谐振腔中，对光的频率和方向进行选择=连续的光放大和激光振荡输出。
激光稳定工作的2个条件：合适的谐振腔，增益大于或等于总损耗
激光振荡的相位调条件：L=
间接跃迁需要光子和声子两者参与，而直接跃迁仅需要光子参加，所以直接带隙半导体比间接带隙半导体在光学上更为有效。
回转器是指这样一种非互易器件，它能够使正向和反向传播的光波之间产生π弧度的相位差。了解隔离器，环形器。
集成光波导
Pin/2 Pin
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.
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》课件
2 集成光波导的意义与价值
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。
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。
平板波导
As e
q ( x a )
, x a
根据边界条件，在x=a,-a处，有 E y , H z连续（E y 和它的偏导数）
q h p t an(ha ) h t an( ha )
q p h (2a) m arctan( ) arctan( ) h h
2h 212 210
5
如果相干相长，即满足谐振条件，则此入射角对应的光 线（模式）可以被导波所接受
2h 212 210 2m
物理意义：在波导厚度h确定的情况下，平板波导所能 维持的导模模式数量是有限的，此时m只能取有限个整 数值，这个方程也称作平板波导的本征方程
以上相移公式是在n1 n2介质界面上推倒得到，如果是在n0 n1介质界面，只需将n2换成n0
7
那么具体的特征方程可表示为：
p0 p2 h m arct an( ) arct an( )
TE Mode
n12 p0 n12 p2 h m arct an( 2 ) arct an( 2 ) n0 n2
4
波矢量之间的关系：
| k | n1k 0
k0 n1 cos k0 n1 sin
E~e
i ( x z )
（重点）当只考虑x方向上光线传播时，可见光线总是在上下两表面反射 现假设一光线入射到下界面，发生全反射，然后又与上表面发生全反射， 再次回到下表面发生全反射。此时，此光线会与原先从下表面出发的光波 叠加在一起，发生干涉。并且两束相干光波的位相差为：
iz
2 Ey x
2
k 2 2 Ey 0
可以写出3个区域的亥姆赫兹方程：
第6章集成光学
2 23
2 arctan(p )
212
2 arctan(nn1222
q
)
2 23
2
arc tan(nn2322
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
m是导波的模阶数，不同的m，对应一 系列的β。该方程称为模式方程（特征方 程、本征值方程）
4.对称波导，非对称波导，强非对称波导
5. 波导中光波的传播，对于TE波，解波动
方程
2Ey (t)
ni2 c2
2Ey t 2
解的形式 Ey (x, z,t) y (x) exp[ i(t z)]
Y方向，波不受约束，场与 y无关
b.波导定向耦合器 平行放置，间隙小，消 逝场耦和
2.外耦合类型及其机制 a.直接耦合：利用一透镜 将激光束聚焦，直接照 射到波导的端部。 效率低：薄膜薄，端面 不平
b.棱镜耦合器
提高了耦合效率：耦合 方式连续耦合
结构：n3>n1>n4>n2 原理：当θ3>θ3c时，入 射 底 场→棱部扩镜反散激射到光光空束B3合气A3与成隙棱驻，镜波按 exp[-(k0n3sinθ3)x]衰减→ 继续扩散到薄膜中形成 导膜(消逝场)
m
d
n
得到 0 2n / m
光栅周期一定时，只有该式确
定的特定波长的光才能受到强
烈的反射
m=1，一级光栅
m=3，三级光栅
* 解理面反馈激光器中，发射光 谱多个峰值
分布反馈激光器中，一个峰， 可选纵模
第六章 常见光波导材料与工艺
• 通常采用反渗透和离子交换系统去除水中的离 子。去除离子后的水通常称为去离子水。去离子 水在25℃时的电阻是18 000 000Ω ·cm，也就 是一般称为18MΩ 。图5.19显示了当水中含有大 量不同的溶解物质时的电阻值。 在VLSI制造中， 溶解固体 电阻 的容量 (ppm) (Ohms · cm 工艺水的目标是 25 û C) 18MΩ 。 18 000 000 0.0277 15 000 000 0.0333 水中的细菌是通 10 000 000 0.0500 过紫外线去除。 1 000 000 0.500
不同材料矩形单模波导的宽度
SiO2：n=1.44 Ge： SiO2：n=1.45 5~6 μm 30~40μm 500nm 220nm
两种波导的 优缺点？
SiO2：n=1.44 Si： n=3.4
做出的器件尺寸很小，但与 光纤耦合损耗大
做出的器件尺寸大，但与光 纤耦合损耗很小
如希望对光纤耦合损耗小：不同材 料的光波导结构
表4 发展阶段 第一阶段 第二阶段 第三阶段 波长 (m) 0.85 1.30 1.55 光纤发展阶段及所需材料 模 数 多 模 单 模 单 模 衰 耗 (dB/km) 1.5 0.8 0.16 中继距离 (Km) 10 60 500
第四阶段
2 -- 5
3×10-4
2500
光纤材料:
石英玻璃： SiO2、SiO2-GeO2、 SiO2-B2O3-
手摩擦脸 步行 用脚跺 地板 200% 200% 5000%
颗粒粘附
所有可以落在硅片表面的都称作颗粒。 颗粒来源： 空气 人体 设备 化学品 超级净化空气
风淋吹扫、防护服、面罩、 手套等，机器手/人
特殊设计及材料 定期清洗 超纯化学品 去离子水
第六讲：光波导理论
几何光学分析
光线轨迹：锯齿形折线 图中平面波的波矢量为： （设n1> n2> n3) k1 | k |=k0n1 k1 = k0n1 sin θ = k0n1cosθ
x
k
β
d
θ
n3 n1
z
0 n2
29
根据全反射临界角的计算公式：
n2 c12 arcsin( ) n1 （1）导模条件：光线在上下界面都发生全反射。 c13 , c12 < < 求得 n2 k0 < < n1k0 2 （2）部分反射，光线在上界面发生全反射,下界面部分反射 有辐射模。（导模截止） c13 < < c12 有： n3k0 < < n2 k0 （3）在上下界面都发生部分反射。能量被同时辐射到上下 包层中去。 < c13 < c12 得到： < n3k0 < n2 k0
第六讲
集成光学理论
1
一、 集成光学概述
一、概念 集成光学是指利用平面光波导结构将光波 束缚在光波长量级尺寸的介质中，长距离无 辐射的传输。 并以此为基础集成不同结构与 功能的大量光子学器件。
2
二、光集成的类型
1、从集成方式上划分－－
“光－光集成”
和“光电集成”；
2、从集成形式上划分－－单片集成和混合集
d2 Z kz 2 Z 0 dz 2
2 kx kz2 k12 2 2 m k 2 （2）
（1）
31
场量可写为： E (r , t ) E ( x)e i ( z t ) H (r , t ) H ( x)e i ( z t )
光波导理论与技术讲义
04
光波导的应用
光纤通信
光纤通信概述
光纤通信是一种利用光波在光纤中传输信息的技术。由于光纤具有低损耗、高带宽和抗电 磁干扰等优点，因此光纤通信已成为现代通信的主要手段之一。
光纤通信系统
光纤通信系统主要由光源、光纤、光检测器和传输控制设备等组成。其中，光源用于产生 光信号，光纤作为传输介质，光检测器用于接收光信号，传输控制设备负责对整个系统进 行管理和控制。
03
光波导材料
玻璃光波导
玻璃光波导是一种以玻璃为介质的光 波导器件，其具有优秀的光学性能和 机械性能，被广泛应用于光纤通信、 光传感等领域。
玻璃光波导的主要优点是光学性能优 异、机械强度高、化学稳定性好等， 但其缺点是制备工艺复杂、成本较高。
玻璃光波导的制备工艺主要包括预制 棒制作、拉丝、涂覆等环节，这些工 艺过程需要精确控制，以保证光波导 的性能和稳定性。
聚合物光波导
1
聚合物光波导是一种以聚合物为介质的光波导器 件，其具有制备工艺简单、成本低、易于加工等 特点。
2
聚合物光波导的制备工艺主要包括薄膜制作、光 刻、刻蚀等环节，这些工艺过程相对简单，有利 于大规模生产。
3
聚合物光波导的主要优点是制备工艺简单、成本 低、易于加工等，但其缺点是光学性能较差、机 械强度较低。
A
B
C
D
模块化与小型化
为了适应现代通信系统的需求，光波导放 大器正朝着模块化和小型化方向发展。
增益均衡
由于不同波长的光信号在光纤中的传输损 耗不同，因此需要实现光波导放大器的增 益均衡，以保证信号的传输质量。
光波导开关
开关原理
光波导开关利用电场或热场对光 波的传播方向进行控制，实现光
第六章光波导理论及器件
x
n3 n1 n2 z
c13 c12 i
i
ห้องสมุดไป่ตู้
引入 沿z方向的传播常数
k1
kz k1 sin i k1 n1k0
n2 k2 n1 k1
sin i sin c12
k2
z方向最大传播常数
则
k2 k1 n2 k0 n1k0
12
2 Ey x
2
( 2 2m ) E y ( 2 n2k 2 ) Ey 2 H y x 2 ( 2 n2 k 2 ) H y
k 0 m0
同样
TE波：只存在电场横向分量
令 H y 0 Ex 0 则TE波中，仅剩 Ey , H z , H x 且 Hx Ey m
j H z ( x) m ( A sin x B cos x),
A2 2 x m
e , ,
H z(2) ( x)
j 2 A2 m
e 2 x ,
H ( x)
A3 3 x m
e
x0
3 A3 3 x H z(3) ( x) jm e ,
9
复共轭
介质中
D E B mH
E ( x, y, z; t ) E ( x, y, z )e jt c.c. H ( x, y, z; t ) H ( x, y, z )e jt c.c.
E ( x , y , z ; t ) B ( x, y , z ; t ) t H ( x, y, z; t ) D( x, y, z; t ) t
正整数—模数
光波导原理及器件简介
包层n 2 芯区n 1 图1. 三层平面介质波导 图2. 矩形波导 图3. 圆光波导图4. 椭圆光波导光波导原理及器件简介摘要：20世纪60年代激光器的出现，导致了半导体电子学、导波光学、非线性光学等一系列新学科的涌现。
20世纪70年代，由于半导体激光器和光纤技术的重要突破，导致了以光导纤维通信、光信息处理、光纤传感、光信息存储与显示等为代表的光信息科学技术的蓬勃发展，而导波光学理论是光通信技术的基础，同时也是集成光学、光纤传感等学科的基础。
本文简述了光波导的原理，并着重介绍光波导开关。
关键词：光波导，波导光学，平面光波导，光波导开光1.引言1.1光波导的概念波导光学是一门研究光波导中光传输特性及其应用的学科。
以光的电磁理论和介质光学特性的理论为基础，研究光波导的传光理论、调制技术及光波导器件的制作与应用技术。
导波光学系统是由光源、光波导器件、耦合器、光调制器及光探测器等组成的光路系统。
光波导是将光波限制在特定介质内部或其表面附近进行传输的导光通道。
简单的说就是约束光波传输的媒介，又称介质光波导。
介质光波导的三要素是：“芯/包”结构，凸形折射率分布（n1>n2），低传输损耗。
光波导常用材料有：LiNbO3、Si 基（SiO2、SOI ）、Ⅲ-Ⅴ族半导体、聚合物等。
1.2光波导的分类按几何结构分类，光波导可分为：平面（平板）介质波导，矩形（条形）介质波导，圆和非圆介质波导。
按波导折射率在空间的分布分类，光波导可分为：非线性光波导（n=n(x,y,z,E)），线性光波导（n=n(x,y,z)）。
线性光波导又可分为：纵向均匀（正规）光波导（n=n(x,y)），纵向均匀（正规）光波导（n=n(x,y)）。
2.光波导的原理简介一种为大家所熟知的介质光波导就是通常具有圆形截面的光导纤维，简称为光纤。
然而，集成光学所注重的光波导往往是平面薄膜所构成的平板波导和条形波导，这里，我只讨论平面光波导。
最简单的平板波导由三层材料所构成，中间一层是折射率为 n1的波导薄膜，它沉积在折射率为 n2的基底上，薄膜上面是折射率为 n3的覆盖层，一般都为空气。
《光波导理论教学课件》
光波导的损耗
光波导在传输过程中会有一定的损耗。减小 损耗是提高光波导性能的重要任务。
光波导的参数
模式场分布
光波导中的光信号可以以不同的 模式传播。模式场分布描述了光 信号在波导中的空间分布。
色散和群速度
光波导中的色散和群速度是表征 光信号传输特性的重要参数。色 散影响信号传输质量，群速度影 响传输速度。
光波导理论教学课件
欢迎大家来到《光波导理论教学课件》。本课程将为您介绍光波导的基本概 念、结构、传输特性、参数、应用以及未来发展。让我们一起探索这项令人 惊叹的领域！
简介
光波导的定义
光波导是一种用于传输和控制光信号的结构。它基于光的全内反射原理，使光能在其内部进 行传播。
光波导的分类
光波导可以根据其结构和材料的不同进行分类。常见的分类包括单模光波导和多模光波导。
光波导的带宽
光波导的带宽决定了其传输信号 的容量。提高光波导的带宽对于 扩大传输能力至关重要。
光波导的应用
光通信
光波导在光通信领域有广泛应 用。它可以实现高速、远距离 和大容量的光信号传输。
光计算
光波导在光计算中的应用正在 得到越来越多的关注。它具有 并行计算、低功耗和大规模计 算的优势。
光传感
光波导在光传感中发挥着重要 作用。它可以实时监测环境变 化、生物指标等，并具有高灵 敏度和快速响应。
光波导的层次结构
光波导可以根据其层次结构进行设 计。不同的层次结构可以影响光的 模式传播和参数。
光波导的传输特性
1
正向和反向传输
2
光波导可以实现正向和反向传输。正向传输
用于将光信号从发射端传输到接收端，反向
传输可用于监测传输质量。
3
光波导中的光传输
光波导在传输过程中会有一定的损耗。减小 损耗是提高光波导性能的重要任务。
光波导的参数
模式场分布
光波导中的光信号可以以不同的 模式传播。模式场分布描述了光 信号在波导中的空间分布。
色散和群速度
光波导中的色散和群速度是表征 光信号传输特性的重要参数。色 散影响信号传输质量，群速度影 响传输速度。
光波导理论教学课件
欢迎大家来到《光波导理论教学课件》。本课程将为您介绍光波导的基本概 念、结构、传输特性、参数、应用以及未来发展。让我们一起探索这项令人 惊叹的领域！
简介
光波导的定义
光波导是一种用于传输和控制光信号的结构。它基于光的全内反射原理，使光能在其内部进 行传播。
光波导的分类
光波导可以根据其结构和材料的不同进行分类。常见的分类包括单模光波导和多模光波导。
光波导的带宽
光波导的带宽决定了其传输信号 的容量。提高光波导的带宽对于 扩大传输能力至关重要。
光波导的应用
光通信
光波导在光通信领域有广泛应 用。它可以实现高速、远距离 和大容量的光信号传输。
光计算
光波导在光计算中的应用正在 得到越来越多的关注。它具有 并行计算、低功耗和大规模计 算的优势。
光传感
光波导在光传感中发挥着重要 作用。它可以实时监测环境变 化、生物指标等，并具有高灵 敏度和快速响应。
光波导的层次结构
光波导可以根据其层次结构进行设 计。不同的层次结构可以影响光的 模式传播和参数。
光波导的传输特性
1
正向和反向传输
2
光波导可以实现正向和反向传输。正向传输
用于将光信号从发射端传输到接收端，反向
传输可用于监测传输质量。
3
光波导中的光传输
光波导
传输特性
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。
光波导的横向尺寸比光的波长大很多时，光的波动性所产生的衍射现象一般可略去不计，可用几何光学定律 来处理光在其中的传播问题。如集成光波导和阶跃折射率光纤中，都是利用入射角大于临界角使光在边界上发生 全反射，结果光便沿折线路径在其中传播。梯度折射率光纤中，则利用光逐渐往折射率大的方向弯曲的规律，使 光线沿曲线路径在其中传播。
平面材料
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。
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衬底， 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。
光波导原理与器件 pdf
光波导原理与器件 pdf1 光波导原理与器件概述光波导器件是指使用光波导技术制作的光学器件，其中的光波导是指利用材料中的反射率差，将光线引导至其它位置的一种光学引导结构。
通过这种方式，可以对光的传输进行有效的控制，因此光波导器件在光通信、光计算、光储存等领域有广泛应用。
2 光波导原理2.1 光波导的基本特点光波导是利用介质的光学性质来引导光线传输的结构。
光波导具有以下基本特点：- 包含一定的光波导结构，可以固定或调整光的位置和方向。
- 光波导结构必须能够比周围介质具备较高的折射率。
- 光的传输速度决定了光波导的尺寸，因此其相对于微观器件较大。
2.2 光波导的工作原理光波导的工作原理基于光的反射和折射原理。
当光线遇到介质表面的变化时，存在反射、折射和透射三种情况。
其中反射光在界面内传播，而折射光从界面上进入另一种介质中传播。
在光波导器件中，折射率高的材料被用作光波导，通常是通过将光束引导至介质的边界或者将光波导区域中的介质密度改变，使得光光束被抑制在其中，并且可以沿着这些通路传播。
3 光波导器件3.1 基于硅的光波导器件基于硅的光波导器件是最常用的光波导器件之一，主要应用于光电子集成电路和光纤通信中。
此类器件通高度制备工艺的要求，但其表现出的稳定性、实用性和成本优势得到了充分的认可。
该光波导器件的工作原理是将光束通过集成光波导引导到芯片上，同时光波导上的金属导线和其他器件可以与其相互作用，使得光子在电信号控制下具备更高的能量，可以实际应用。
这种器件被广泛用于光速转换、光遗传学、激光雷达、安全监控等领域。
3.2 其他光波导器件除了基于硅的光波导器件外，还有许多其他类型的光波导器件，例如光导纤芯、有机光波导器件等。
光导纤芯是另外一种基于光波导原理制作的光学器件，其结构类似于光纤，但其光导芯中注入高折射率材料，使得光波可以在其中定向和转移。
这种器件由于可以弯曲和弯曲裂缝，因此被广泛应用于光学传感、光纤通信和微模工艺制造等方面。
《集成光波导》课件
测试方法
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
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
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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
条形（矩形）波导
nlow nhigh nlow 脊形波导
cladding core
阶跃折射率光纤
铌酸锂 渐变折射率 (GRIN) 光纤
集成光电子器件的材料
（5）显示材料 发光二级管（LED）如表 3
表3 LED 发光材料及可见光区
发光尺
Ga0.65Al0.35As GaAs0.35P0.65(N) GaAs0.1P0.9(N) GaAs0.1P0.9(N) GaP
衬底
GaAs GaP GaP GaP Gap
发光颜色
红 红 橙 黄 绿
磁记录在21世纪初仍有很强的生命力，通过垂直磁 记录技术和纳米单磁畴技术，再加先进磁头（如巨磁电 阻）（GMR）的采用，有可能使每平方英寸的密度达 100GB，所用介质为氧化物磁粉（γ-Fe2O3及加 Co γ -Fe2O3、CrO2)，金属磁粉或钡铁氧体粉。
磁光记录：与磁记录不同之处在于记录传感元件是 光头而不是磁头。磁光盘的介质主要是稀土-过渡族金属， 如TbFeCo、GdTbFe、NdFeCo，最新的是Pb/Co多层调制膜 或Bi石榴石薄膜。磁光盘的特点在于可重写，可交换介 质。
WHY？
脊形光波导
脊形光波导的作用是增 大光斑面积
对大折射率差材料， 如用普通矩形，则 单模波导尺寸很小
为了方便把更多的能量耦合进入芯 层10微米左右直径的光纤里去
渐变折射率波导
这类波导有什么用？
AgNO3
V
Li
Ag
LiNbO3
集成光器件的分类
• 有源器件：用于光信号产生，检测，调制 及放大（半导体激光器，光调制器，光放 大器，光探测器）
波长（nm)
660 650 610 583 555
GaN
Α-Al2O3
蓝
490
SiC
SiC
蓝
480(全包显示屏)
液晶显示(LCD)材料(1968年发明)为21世纪上半叶主要显示材料
(6)光纤与光缆材料(网络)(表4)
一条光纤带宽所容纳信息量相当于全世界无线电 带宽的1000倍. (25 T bps vs 25 G bps )
• 无源器件：不对光信号形式产生任何改变， 只改变光传播路径等（光耦合器，光纤光 栅，阵列波导光栅，光滤波器等）
有源器件材料的应用场合
不同材料吸收系数与波长的关系
光吸收系数 (cm-1) 光穿透深度 (m)
光子能量增大方向
截止波长c由其带隙能量 Eg决定： c = hc / Eg
(1) 入射 > 截止 hv入射不足以激励出电子
(2) 入射 < 截止 材料对光子开始吸收
(3) 入射 < < 截止
材料吸收强烈 (as很大)
所激发的载流子寿命短
(粒子的能级越高越不稳定)
集成光电子材料
材料
应用
SiO2
光通信应用的无源器件材料
Si
InP/GaAs/AlGaAS 等三五族 LiNbO3
聚合物(如PMMA)
集成芯片，光通信无源材料，太阳 能电池
表4 光纤发展阶段及所需材料
发展阶段 波长 (m)
第一阶段 第二阶段 第三阶段 第四阶段
0.85 1.30 1.55 2 -- 5
模数
多模 单模 单模
衰耗 (dB/km)
1.5
0.8
0.16 3×10-4
中继距离 (Km) 10 60 500 2500
光纤材料:
石英玻璃： SiO2、SiO2-GeO2、 SiO2-B2O3F
多组分玻璃：SiO2-GaO-Na2O、 SiO2-B2O3– Na2O
红外玻璃： 重金属氧化物、卤化物 掺稀土元素玻璃： Er、Nd、… 多模只适于小容量近距离（40Km,100M bps) 单模可传输调制后的信号≥40Gbps 到200Km， 而不需放大。
（7）记录材料
21世纪将是以信息存储为核心的计算机时代，在军事 方面，如何快速准确地获取记录、存储、交换与发送信 息是制胜的关键。
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
热光效应，潜在的电光效应
集成光电子学中的主要制备技 术
横截面
Si SiO2
硅片
波导制作工艺
mask
集成光电子器件制作条件
• 超净室 • 去离子水
经验告诉我们，微粒的大小要小于器件上最小 特征图形尺寸的1/10。（就是说直径为0.03微米的 微粒将会损坏0.3微米线宽大小的特征图形。）否则 会造成器件功能的致命伤害。
（8）敏感材料
1. 计算机的控制灵敏度与精确度有赖于敏感 材料的灵敏度与稳定性。
2. 敏感材料种类繁多，涉及半导体材料、功 能陶瓷、高分子、生物酶与核酸链（DNA） 等。
集成光电子材料
材料
SiO2 Si
LiNbO3 聚合物(如 PMMA)
芯层折射率 @1550nm 1.45
3.4-3.5
Schrödinger equation:
[21m2 xVE](x)0
V
?
V0
Vwell
E3 E2 E1 x
1-d potential well (particle in a well)
对波导折射率差越大相当 于势阱越深，芯层厚度越 大代表势阱越宽，那么可 以容纳的模数就越多
单模波导最小宽度：
Wc 2 2n n