(集成光电子学导论)第六章常见光波导材料与结构
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
(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
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
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
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
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
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
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。
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。
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
Байду номын сангаас
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
（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
InP LiNbO3 聚合物(如 PMMA)
芯层折射率 @1550nm 1.45
3.4-3.5
• 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
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
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）
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。
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 )
(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
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
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
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
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
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
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。
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。
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
Байду номын сангаас
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
（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
InP LiNbO3 聚合物(如 PMMA)
芯层折射率 @1550nm 1.45
3.4-3.5
• 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
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
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）
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。
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 )