(集成光电子学导论)第六章常见光波导材料与结构

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）
衬底
GaAs GaP GaP GaP Gap
发光颜色
红 红 橙 黄 绿
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
靠配比改变
折射率差
波导折射率与模式
n2 θc
n1
n2
sin c
Байду номын сангаас
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
（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
(集成光电子学导论)第六章常见光波导材料与结构
光电子材料包括：
（1） 激光材料（20世纪60年代初） 激光：高亮度、单色、高方向性 红宝石（Cr3+:Al2O3 )
（2） 非线性光学晶体（变频晶体） KDP（磷酸二氢钾）、KTP（磷酸钛氢
钾） LBO（三硼酸锂）…
（3）红外探测材料（军用为主） HgCdTe、 InSb、 CdZnTe、 CdTe
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
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
GaAs、InP、GaSb
器件 超高速 IC FET LD 红外 LED LEP — — —
用途 电脑 携带电话 光通讯 遥控耦合器 出外显示器 热成像仪 红外探测器 太阳能电池
（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
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
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。
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
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
（4）半导体光电子材料，见表2
表2 主要化合物半导体及其用途
领域 微电子
光电子
材
料
GaAs、InP
GaAs
GaAs InP Sb InAs
GaAs
GaP、GaAs、GaAsP、GaAlAs、 InGaAlP
CdTe、CdZnTe、HgCdTe
InSb、CdTe、HgCdTe、PbS、 PbZnTe