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。

薄膜的厚度一般在微米数量级，可与光的波长相比较。

薄膜和基底的折射率之差一般在10-1和10-3之间。

为了构成真正的光波导，要求n1必须大于 n2和 n3，即 n1>n2>=n3。

这样，光能限制在薄膜之中传播。

假定导波光是相干单色光，并假定光波导由无损耗，各向同性，非磁性的无源介质构成。

光在平板波导中的传播可以看作是光线在薄膜—基底和薄膜—覆盖层分界面上发生全反射，在薄膜中沿 Z 字形路径传播。

光在波导中以锯齿形沿Z 方向传播，光在x 方向受到约束，而在y 方向不受约束。

在平板波导中，n1>n2且 n1>n3，当入射光的入射角θ1超过临界角θ0时：
入射光发生全反射，此时，在反射点产生一定的位相跃变。

我们从菲涅耳反射公式：
出发，推导出反射点的位相跃变φTM 、φTE 为：
式中：β =k0 n1 sinθ1为光的传播常数，k0= 2πλ为光在真空中的波数，λ是
光的波长。

要使光在波导中稳定的传播,就要求：
其中： k=k0n1cosθ ,φ12、φ13为全反射的相位差，h 为波导的厚度，m 为模序数，即从零开始的正整数。

所以，只有入射角满足上式的光才能在光波导中稳定地传播,
我们其叫做平板波导的色散方程。

根据这些公式可得到与两种偏振态有关的平板波导模
式本征方程。

3.光波导的器件举例
光波导是集成光学重要的基础性部件，它能将光波束缚在光波长量级尺寸的介质中，长距离无辐射地传输。

平面波导型光器件，又称为光子集成器件，是多类光器件的研究热点。

目前，光通信应用最多的平面光波导器件主要包括有 : 各类光耦合器、平面波导阵列光栅、大端口数矩阵光开关、阵列型可变光衰减器、可调谐光滤波器、可调谐增益均衡器等。

此处我主要介绍大端口数矩阵光开关。

平面波导型开关主要包含热光开关、电光开关和全内反射型开关。

热光开关是利用硅波导的热感应折射率变化制作的，其 M-Z 腔由二个3dB 耦合器和
二个波导臂组成的，其中一臂上加有热光相移薄膜加热器。

通过受热和非受热实现开关
功能。

电光开关与热光开关的波导结构相似，但采用电折变效应来实现对波导臂的光程差
调制。

由于Si材料为中心反演对称结构，泡克尔效应极弱，电光系数很小，因此难以利
用场致折变效应，只能利用 Si材料中的等离子色散效应，于是 Si 波导层中需要制备 p-n 结，以实现高浓度载流子的注入。

InGaAsP/InP 材料有较强的泡克尔效应和较大的电光系
数而成为该类开关的研究热点。

全内反射型开关又叫气泡开关，利用了热毛细现象。

是在波导的交叉点上垂直形成
窄矩形槽，槽内封入少量折射率匹配油，薄膜金属加热器淀积在槽的端上，通过加热使
槽内的油产生气泡以改变波导交叉点的折射率来实现开关功能。

参考文献：
【1】陈昊.平面光波导器件的发展. 信息技术, 2010,175 -178.
【2】刘光灿, 白廷柱.平面光波导器件及应用分析.光电技术应用，2005，20（3）:45-20.
【3】催凤林. 光集成器件. 北京：科学出版社,2002 .
【4】/view/858008a326fff705cd170a11光波导原理与器件概述
【5】/view/bf789cd0102de2bd9605888f导波光学
【6】/view/6079d51114791711cc791777.html?from=search光开关的原理及种类
武汉光电国家实验室
M 201572593
张艳丽。