集成光学第五章5,1 09

5.1.2 透镜
3. 折射型微透镜
制作过程： 制作过程 ： 熔融盐槽中的金属离 子经过掩模扩散以置换玻璃中 不同的金属离子， 形成折射率 不同的金属离子 ， 形成 折射率 呈球形变化、 呈球形变化 、 性能类似于透镜 的区域。 的区域。 优点： 优点 ： 既容易于其他集成光学器 件实现混合集成， 件实现混合集成 ， 也便于进行 单片集成。 单片集成。
按所利用的物理效应分类：电光集成器件 集成器件、 按所利用的物理效应分类：电光集成器件、声光 集成器件、热光集成器件 磁光集成器件等 集成器件、 集成器件等。 集成器件、热光集成器件、磁光集成器件等。
第五章 集成光无源器件 §5.1 基本元件 §5.2 电光集成器件 §5.3 声光集成器件 §5.4 热光开关和调制器
5.1.3偏振器与模分离器 5.1.3偏振器与模分离器
1. 偏振器 偏振器—— (1)金属覆层 金属覆层 如图所示， 如图所示，在波导层的表面直接 制作金属薄膜， 制作金属薄膜，根据金属薄膜对 TE模和 模的传输损耗的差异 模和TM模的传输损耗的差异 模和 来实现某个模式的消除。 来实现某个模式的消除。 如在用K 如在用 ＋离子交换制作的二维单 模玻璃波导上，如果制作5mm的 模玻璃波导上，如果制作 的 Al膜，TE模的损耗可以控制在 ～ 模的损耗可以控制在2～ 膜 模的损耗可以控制在 3dB，而TM的损耗则高达 ～ ， 的损耗则高达20～ 的损耗则高达 30dB。经过如此处理，TM模就 。经过如此处理， 模就 会被吸收， 模则可以通过。 会被吸收，而TE模则可以通过。 模则可以通过
5.1.3偏振器与模分离器 5.1.3偏振器与模分离器
2.模分离器（偏振分束器） 模分离器（偏振分束器） 模分离器
5.1.3偏振器与模分离器 5.1.3偏振器与模分离器
1. 偏振器 偏振器—— (2)使用各向异性的晶体 使用各向异性的晶体
假设方解石的光轴与TE模的偏振光方向一致，那么 模就可 假设方解石的光轴与 模的偏振光方向一致，那么TE模就可 模的偏振光方向一致 以在玻璃波导中传输； 模则由于 模则由于n 以在玻璃波导中传输；TM模则由于 g<no，会随着波导光往 方解石中的泄漏和散射而消失。 方解石中的泄漏和散射而消失。
5.1.2 透镜
1. 模折射率透镜
透镜区域的有效折射率表示为n 周围的有效折射率为n 透镜区域的有效折射率表示为 L，周围的有效折射率为 e 。 做成往左右两侧凸出的形状，相当于凸透镜， 若nL > ne ，做成往左右两侧凸出的形状，相当于凸透镜， 可以聚光； 可以聚光； 做成往左右两侧凹进的形状， 若nL < ne ，做成往左右两侧凹进的形状，也相当于凸透 也可以聚光。 镜，也可以聚光。
第五章 集成光无源器件
分类： 分类： 按功能分类： 光耦合器、 光开关、 按功能分类 ： 光耦合器 、 光开关 、 分波与合波 透镜、 光偏转器、 衍射光栅、 反射器、 器 、 透镜 、 光偏转器 、 衍射光栅 、 反射器 、 偏 振模转换器、 光滤波器、 光衰减器、 光隔离器、 振模转换器 、 光滤波器 、 光衰减器 、 光隔离器 、 光环行器等。 光环行器等。
在均匀的平板波导中，制作出有透镜作用的有效 在均匀的平板波导中，制作出有透镜作用的有效 折射率异常区域，通过波导光在有效折射率变化 折射率异常区域，通过波导光在有效折射率变化 的界面上的折射而起到透镜的作用， 的界面上的折射而起到透镜的作用，这种形式的 透镜称为模折射率透镜 模折射率透镜(mode index lens)。 透镜称为模折射率透镜 。
5.1.1 定向耦合器及分支波导
用途： 构成分束器、 光开关或光调制器， 用途 ： 构成分束器 、 光开关或光调制器 ， 以及构成 波长滤波器或TE/TM偏振模转换器。 偏振模转换器。 波长滤波器或 偏振模转换器
产生100%功率转移的耦合长度 取决于 耦合系数和 功率转移的耦合长度L取决于 产生 功率转移的耦合长度 取决于耦合系数和 两个模式之间的传播常数之差。 两个模式之间的传播常数之差 。 在相位匹配条件 下，L=π/2K。 。 当l=π/4K时，在输出端就会实现功率平均分配，这时 时 在输出端就会实现功率平均分配， 定向耦合器称为3-dB耦合器。 耦合器。 定向耦合器称为 耦合器
波导型透镜以焦距 ， 波导型透镜以焦距f， 焦距 孔径D以及二者之间的 孔径 以及二者之间的 比值f/D为特征 比值 为特征
5.1.2 透镜
1. 模折射率透镜 在波导层厚度增加和加载覆盖层的情况下，有效 波导层厚度增加和加载覆盖层的情况下， 的情况下 折射率通常增大，进行杂质扩散 杂质扩散通常也导致有效 折射率通常增大，进行杂质扩散通常也导致有效 折射率增大。 折射率增大。
5.1.3偏振器与模分离器 5.1.3偏振器与模分离器
2.模分离器（偏振分束器） 模分离器（偏振分束器） 模分离器
• 偏振分束器（PBS）是一个基本的无源器件，它们用 偏振分束器（ 无源器件， ）是一个基本的无源器件 分开或组合TE和 两个不同的波模 两个不同的波模， 于分开或组合 和TM两个不同的波模，通常是利用 定向耦合器结构来实现在某一个波长的波模转换。 定向耦合器结构来实现在某一个波长的波模转换。 • PBS的工作原理是基于定向耦合器中两个光波模式的 PBS的工作原理是 的工作原理是基于定向耦合器中两个光波模式的 相互耦合和转换。 相互耦合和转换。
第五章 集成光无源器件
光无源器件是光纤通信系统的重要组成部分， 光无源器件是光纤通信系统的重要组成部分，它和 光有源器件的区别在于其实现本身功能时 其实现本身功能时是否发生 光有源器件的区别在于其实现本身功能时是否发生 光电能量的转换。 光电能量的转换。
出现光电能量的转换，则称其为有源光器件 有源光器件， 若出现光电能量的转换，则称其为有源光器件，如 激光器、光监测器、光放大器等。 激光器、光监测器、光放大器等。 未出现光电能量的转换， 若未出现光电能量的转换，即使也需要一些电信号 的介入，则称为无源光器件 无源光器件。 的介入，则称为无源光器件。
5.1.1 定向耦合器及分支波导
2. 分支波导 • 分类 ： 对称性二分支波导 分类： 和非对称性二分支波导； 和非对称性二分支波导； • 结构特点 ： 分支点的前置 结构特点： 部位都要设置一段锥形波 部位都要设置一段 锥形波 导 • 锥形角和分支臂夹角夹角 很小，一般为零点几至零 很小 ， 一般为零点几至零 点零几度。 折射率透镜
模折射率透镜的缺点： 模折射率透镜的缺点： （1）像差较大，且在分界面上容易产生光散射和模变换； ）像差较大，且在分界面上容易产生光散射和模变换； （ 2） 可利用的 L 和 ne 的差值比较小 ， 难以实现小 值的透 的差值比较小，难以实现小F值的透 ） 可利用的n 镜。 （3）不管单个透镜具有多么良好的性能，在将它与其他的 ）不管单个透镜具有多么良好的性能， 器件组合起来构成集成光路的时候， 器件组合起来构成集成光路的时候 ， 都很容易产生总体 特性的恶化。 特性的恶化。
5.1.2 透镜
• 透镜具有成像和傅里叶变换两种功能。 透镜具有成像和傅里叶变换两种功能。 成像和傅里叶变换两种功能
• 波导型透镜 （ waveguide lens） 是对 传输于二维波导 波导型透镜（ ） 是对传输于二维波导 内的波导光发挥这些透镜功能的器件 的器件， 内的波导光发挥这些透镜功能的器件，特别是在构成用 于信号处理的集成光路时，它是一种极其重要的器件。 于信号处理的集成光路时，它是一种极其重要的器件。
§5.1 基本元件 5.1.1 定向耦合器及分支波导 5.1.2 透镜 5.1.3 偏振器与模分离器
5.1.1 定向耦合器及分支波导
1. 定向耦合器
基本构成： 基本构成：由两个邻近的波导组成 理论基础：定向耦合器的基本理论是耦合模理论 耦合模理论。 理论基础 ： 定向耦合器的基本理论是 耦合模理论 。
5.1.2 透镜
2. 短程透镜
根据费马原理， 根据费马原理，光线将 沿着曲面的最短光 路的路径行进，选 择适当的曲面形状 可能实现透镜的聚 焦作用；利用这一 原理构成的透镜称 短程透镜(geodesic 为短程透镜 lens)。 。
5.1.2 透镜
2. 短程透镜
短程透镜的制作，是在将衬底加工成曲面后 短程透镜的制作，是在将衬底加工成曲面后，再在其表面形 将衬底加工成曲面 而构成的。 成波导层而构成的 成波导层而构成的。 为了获得优质的聚焦质量，需要误差在 为了获得优质的聚焦质量，需要误差在1µm以下的加工精度。 以下的加工精度。 误差在 以下的加工精度 • 优点： 只用薄膜波导就可以实现 优点 ： 透镜功能， 可以完全消除球差， 透镜功能 ， 可以完全消除球差 ， 获得较小的焦距 f 和 F 值。 • 缺点 ： 需要使用计算机控制的高 缺点： 精度特殊设备进行长时间加工， 精度特殊设备进行长时间加工 ， 不适于大批量生产， 不适于大批量生产 ， 难以成为一 种经济的透镜。 种经济的透镜。
5.1.2 透镜
5.1.2 透镜
5.1.2 透镜
4. 微透镜阵列 • 微透镜 微透镜(microlens) 指 直径在 直径在10µm~1mm量级 的 量级的 量级 微小透镜， 由这些小透镜构成的阵列称为微透镜 微小透镜 ， 由这些小透镜构成的阵列称为 微透镜 阵列。 阵列。 • 微透镜阵列利用衍射型 、 折射型或混合型 光学器 微透镜阵列利用 衍射型、 折射型或混合型光学器 衍射型 件构成。 件构成。 • 应用 ： 用于光源和探测器阵列中 ， 实现光束的耦 应用： 用于光源和探测器阵列中， 准直、汇聚、扩束等多种功能。 合、准直、汇聚、扩束等多种功能。