第1章 光波导原理与器件概述资料

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第1章 光导波原理与器件概论
QWL在结构上的特点是它的有源区是由多个或单 个阱宽约为10nm的势阱所组成，由于势阱宽度小 于材料中电子的德布罗意波的波长，产生了量子效 应，连续的能带分裂为子能级。因此，特别有利于 载流子的有效填充，所需要的激射阈值电流特别低。 半导体激光器的结构中应用的主要是单、多量子 阱，单量子阱(SQW)激光器的结构基本上就是把普 通双异质结(DH)激光器的有源层厚度做成数十nm 以下的一种激光器，通常把势垒较厚以致于相邻势 阱中电子波函数不发生交迭的周期结构称为多量子 阱(MQW )。
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第1章 光导波原理与器件概论
1.3 光波导器件的进展
1.3.1 光波导宽带光调制器 1.3.2 光波导开关 1.3.3 光波导频谱分析器 1.3.4 高密度信息读取器
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光波导器件可以分为无源器件和有源器件。集成 光路则是将这些分立器件有机地集成在同一块衬底上 而构成的。
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半导体激光器以材料的p-n结特性为基础，因此， 半导体激光器常被称为二极管激光器或激光二极管。 20世纪60年代初期的半导体激光器是同质结型激 光器，它是在一种材料上制作的p-n结二极管在正向 大电流注入下，电子不断地向p区注入，空穴不断 地向n区注入。
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在半导体激光器件中，目前比较成熟、性能较好、 应用较广的是具有双异质结构的电注入式GaAs二极 管激光器。 随着异质结激光器的研究发展，人们想到将超薄膜 (< 20nm)的半导体层作为激光器的激活层，以致于能 够产生量子效应。 由于MBE，MOCVD技术的成熟，在1978年出现了 世界上第一只半导体量子阱激光器(QWL)。 子阱半导体激光器与双异质结(DH)激光器相比，具 有阈值电流低、输出功率高，频率响应好，光谱线窄 和温度稳定性好和较高的电光转换效率等许多优点。
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2、集成光路：集成光路指在光波导上制造微型的 光学元件，并互连耦合为具有一定功能的光学系统， 用以实现光的发射、传输、偏转、调制和探测功能 的光路系统。
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1.1.2 导波光学产生及发展过程 推动导波光学发展的动力来自于人们要制造小 型化光学元件和集成化光学系统，即制造结构紧 凑，性能稳定的集成光路。 制造集成光路首先要解决的就是光源小型化， 因此，导波光学是伴随半导体激光器的发展而发 展起来的。 1962年7月，在固体器件研究国际会议上，美国 麻省理工学院林肯实验室的学者克耶斯和奎斯特 报告了砷化镓材料的光发射现象，这是半导体激 光器的雏形。
1、分支型开关阵列。在器件长度比较短、适合于 集成化的器件中大都采用LiNbO3分支开关。当波 导宽4μm时，电极长度为0.8mm，即使做成如图 1.3所示的1×4光学开关阵列，开关工作部分的长 度也仅仅只有3mm。
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2、方向耦合器型开关阵列。 通常方向耦合器器件 长度约为5mm，即使不要求比较严格的制作精度， 也可以在比较低的电压下获得比较高的消光比，因 而首先用于制作集成化光学开关阵列。图1.4所示是 以Z切割LiNbO3为衬底，制作出的用于1.3μm波长 的4X4光学开关阵列。
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其次，虽然电子计算机已经进入大规模和超大规 模集成电路的时代，但其运算速率始终受限于固 体电子器件中电子运动的速度，而光子计算机以 光速运动的光子为工作的基础，其理论计算速率 可高达1010～1011次/秒，它比目前计算速率最快的 电子计算机高100～1000倍。
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第三，空间上多道阵列、多频段以致三维立体的光 学存储及处理的特点，使光存储和处理的容量可达 到1018kbit的“海量信息”。如果用集成光路来实 现光信号的逻辑运算、传送和处理，则可制成体积 小、速度快、容量大的“全光计算机”。光子计算 机与电子计算机相比有着并行处理、信号互不干扰、 开关速度快、光速传递、宽带以及信息容量极大的 优点。
至今已经实用化了的制成品仍然比较少。本节将对集 成光路中成熟程度比较高的若干光波导器件进行介绍。
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1.3.1 光波导宽带光调制器
在将来的相干光通信中，人们打算使用10GHz 的频带或者更高的频带。为能够制作出具有数千兆 赫通带宽度的光调制器，研究人员正进行着不懈的 努力。已经有大量的行波型光调制器的报道，它们 属于马赫－泽德干涉仪型的。其调制带宽取决于波 导光与微波的速度匹配程度。图1.2就是一个已经达 到了实用化水平的调制器的例子。
这些利用电先效应的IOSA的缺点是，需要有能够 把时序信号变换为并行信号的电子电路；但是它的 优点是具有超高速响应的可能性。
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2、准单片型。IOSA所需要的光检测器与其它的 光学器件有可能实现准单片集成化。作为这种准 单片型IOSA的衬底，选用Si比较合适。虽然含有 主检测器的单片集成化的IOSA至今尚未制作出来， 但是采用衍射型透镜，制作出了将检测器以外的 器件全都集成在一起了的典型器件，而且它的正 常运作也得到了确认。在IOSA之中，迄今为止在 应用方面还没有实现尽善尽美的性能，在分辨率 的改善、通带宽度最大值的探讨以及全集成化等 方面，为今后留下了不少的研究课题。
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1.2 导波光学系统构成及优点
1.2.1 导波光学系统构成 1.2.2 导波光学系统优点
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1.2.1 导波光学系统构成
导波光学系统一般由光源、耦合器、光波导 器件、光调制器和光探测器等组成。与传统的、 非集成的离散光学元件系统相比，导波光学系统 具有体积小、重量轻、结构紧凑和性能稳定等特 点。
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1.2.2 导波光学系统优点
导波光学系统具有体积小、性能稳定可靠、效率 高、功耗低、使用方便等优点。
首先，集成光路与光纤一样，信号的载体是光波， 光波的频率比电子手段产生的电磁振荡高得多，因 而可能加载频带宽极宽的信号，而且避免了电路的 导线固有的电容和电感导致的频率限制效应。这样， 集成光路的光信号的传输带宽及与此相应的传输信 息量，比电子电路系统的电信号的传输带宽和信息 量超过若干数量级。
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1.1 导波光学的发展概况
1.1.1 导波光学基本概念
1.1.2 导波光学产生及发展过程
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二十世纪六十年代激光的出现，使半导体 电子学、导波光学、非线性光学等一系列新学 科涌现出来。 二十世纪七十年，由于半导体激光器和光 导纤维技术的重大突破，使以光通信、光信息 处理、光纤传感、光信息存储与显示等为代表 的光信息科学与技术得到迅速发展，导波光学 已经成为光信息科学与技术的基础。 为了便于理解导波光学的含义，我们从相 关的基本概念讲起。
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在现在的光纤系统中，使用的几乎都是不具有偏振 波面保存特性的单模光纤，因此出现了会受到偏振 光影响的光学器件难于原封不动地集成进集成光路 的难题。图1.5所示是解决了上述难题而不受偏振光 影响的8×8光学开关阵列例子。
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1.1.1 导波光学基本概念 1、导波光学：导波光学是研究光在光波导中传输 规律及其应用的学科。它的研究对象是以光波导现 象为基础的光子学和光电子学系统。 光波导：光波导一般指导光薄膜，定义为有一维或 二维限制的狭窄的导光通道元器件。 光子学：光子学定义为光的产生、发射及相互作用 的微观量子理论。 光电子学：光电子学是由光学和电子学相结合而形 成的新技术学科。
1.3.3光波导频谱分析器
集成光路RF频谱分析器是将波导型布拉格器件与 波导透镜组合起来，对射频(RF)信号进行实时频谱分 析的器件，如图1.6所示。
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1、混合型。作为宽带域IOSA的波导材料，最合适 的是具有优秀的高频声表面波滤波器(SAW)特性的 LiNbO3，这时候需要将其制作成外贴光源与光检测 器的混合型集成光路。从理论上讲，这种混合集成 光路可以做到1GHz的带宽，1MHz的分辨率，响应 速度为lus。
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导波光学系统是在同一块衬底上尽量制作多个微 型的光学元器件，因而不存在离散光学器件所具有的 组装问题，不仅可以保持光学元器件相对位置不变， 而且对振动和温度等环境因素的适应性也比较强。另 外，由于各个光学元件用衬底内部或表面上形成的光 波导连接起来，因此，光波容易控制和保持其能量。
光导波原理与器件
第1章 光波导原理与器件概述 第2章 光波导的基本理论 第3章 光波导器件与传感器 第4章 光波导的制备技术 第5章 光波导的耦合理论与耦合器
第6章 光波导调制技术
第7章 光纤和光纤技术
第1章 光导波原理与器件概论
1.1 导波光学的发展概况 1.2 导波光学系统构成及优点 1.3 光波导器件的进展 1.4 光波导技术发展前景和趋势
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其插入损耗为2dB，驱动电压为5V，具有7GHz的调 制带宽。用这种调制器进行了4Gbit/s的传输实验， 传输距离达到l32km。为了实现更宽带域的速度匹配， 使用图1.2b)所示的屏蔽电极，得到了40GHz的带宽 特性。 另外，也有谐振型光调制器的报道，它采用约 100mW的调制输入电功率，得到了33-40GHz带宽的 超高速调制。
离散光学系统是将有一定几何尺寸的光学元器 件固定在大型的光学平台或光具座上所构成的光路 系统。系统的大小约是几平方米的数量级，光束的 粗细约为5-10mm的范围。光束一般通过空气在各 个光学元器件之间进行传输。由于受到介质对光的 吸收、色散和散射等因素的影响，系统光能损耗较 大，组装、调整也比较困难。
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半导体激光器发展的第二阶段是异质结构半导体 激光器，它是由两种不同带隙的半导体材料薄层，如 GaAs, GaAlAs所组成。它是利用异质结提供的势垒 把注入电子限制在GaAs p-n结的p区之内，以此来降 低阈值电流密度，其数值比同质结激光器降低了一个 量级，但单异质结激光器仍不能在室温下连续工作。
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1.3.2 光波导开关
将多个LiNbO3波导开关集成在同一块衬底上， 可以构成具有多个输入端和输出端的N×N或者 l×N光学开关网络。其主要的应用目标是制作成 未来的光纤通信系统中的光交换机以及时段分割 通信系统中的发射信息与接收信息的器件。
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1970年，实现了激光波长为900nm室温连续工作的 双异质结GaAs-GaAlAs激光器。其结构的特点是 在p型和n型材料之间生长了仅有0. 2μm厚的，不掺 杂的，具有较窄能隙材料的一个薄层，因此注入的 载流子被限制在该区域内(有源区)，这样注入较少 的电流就可以实现载流子数的反转。
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频谱分析虽然用电子电路也可以完成，但是当采用 光学器件来完成时，因其具有并行处理功能，而使 得测量的高速化和实时处理成为可能，而且通过将 其制作成集成光路还可以使它在结构上更加小型化 。 现在的研究开发主要着眼于雷达信号的处理，将来 有可能将其应用于电波望远镜、各种激光探测、遥 感以及通信等广泛的信息处理领域。特别是在卫星 搭载中，为了满足体积小、重量轻的需求，它将成 为一种重要的器件。
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第1章 光导波原理与器件概论
总的来说，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，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。