成都工业学院电子科学与技术集成光学复习资料

第一章概论

1.1集成光学的概念

集成光学的理论基础是光学和光电子学，涉及波动光学与信息光学、非线性光学、半导体光电子学、晶体光学、薄膜光学、导波光学、耦合模与参量作用理论、薄膜光波导器件和体系等多方面的现代光学内容；其工艺基础则主要是薄膜技术和微电子工艺技术。

1.2集成光学的特点

离散光学元件系统的缺点：体积和重量大、稳定性差和光束的调准困难。

集成光学系统的优点：

①光波在光波导中传播，光波容易控制和保持其能量

②集成化带来的稳固定位。对振动和温度等环境因素的适应性比较强，最大优点。

③器件尺寸和相互作用长度缩短；相关的电子器件的工作电压也较低。

④功率密度高。

⑤体积小、重量轻。

集成光路代替集成电路的优点：

1.带宽增加；

2.光子器件中光子运动速度比电子器件中运动速度高得多，且没有导线电容和

电感对频率的限制；

3.实现“波分多路复用”；

4.实现多路开关；

5.尺寸小，重量轻，功耗小

6.成批制备经济性好，可靠性高。

7.降低成本（制造、应用、维护、升级）

1.4 研究集成光学的意义（开放题）

1.信息光电子技术改变着人类的生存和发展方式，在未来的信息社会中必将扮演重要的角色，成为21世纪的基石和支柱之一。

2.信息光电子技术也是保障国防安全的核心技术之一。

3.光电子技术在信息领域的应用中迅速发展且有独特的优势。

4.集成光学集中并发展了光学和微电子学的固有技术优势，将传统的由分立器件构成的庞大的光学系统变革为集成光学系统。

5.集成光学系统作为现代光电子学的一个重要分支，研究集成光学十分重要。

第二章平面介质光波导和耦合模理论

用于集成光学中的光波导根据结构分为平板波导和条形波导。

平面波导（仅在x方向具有折射率差）

条形光波导（在x、y方向上限制光场）

平板波导由三层介质构成：

波导层：中间层，介质折射率n1最大

覆盖层：上包层，折射率n3＜n1

衬底层：下包层，折射率n2＜n1。

n2=n3，称为对称型平板波导。反之，称为非对称型波导。

在集成光学中使用的最多的是埋入型波导。

2.1 平板光波导的射线光学分析

n1＞n2≥n3

传导波条件：

n2＜n eff≤n1n eff——导波有效折射率

βmax=k1=n1k0βmax——导波沿z方向传播的最大传播常数仅出现衬底辐射的条件：

n3＜neff≤n2

同时出现衬底辐射和覆盖层辐射的条件：

0≤neff＜n3

关于β的讨论：

①β可能存在多个解，每个解对用于一个导波，称为一个本征模。

②主模；称传播常数最大（即截止波长最长）的模式为导波的主模。

③单模传输：仅能在波导中传输主模。单模传输条件：在波导中传输的光波波长比主模截止波长长，又比次阶模式的截止波长短。

2.4 耦合模理论

模式耦合：波导中由于某种原因产生的由一种模式向另外一种模式的转换，或多个波导组成的系统中，其中一个波导传输的模式向另外波导的转移。

模式耦合的实质：模式的能量变换。

模式耦合①导波模的耦合②导波模与辐射模的耦合

①导波模的耦合

Ⅰ.同向耦合（应用：光耦合器、Y分支、M-Z干涉仪）

Ⅱ.反向耦合（应用：光纤布拉格衍射光栅、电光调制、声光调制、磁光调制、波导非线性效应）

②导波模与辐射模的耦合（应用：棱镜-波导耦合）

Ⅰ.输出耦合Ⅱ.输入耦

2.4.5 光波导的激励

光波导的激励：将光从光波导外部耦合到光波导，并形成导波模。

实现方法①棱镜耦合法②光栅耦合法③棱镜-光栅耦合法④横向耦合法

习题2.1什么是模式耦合？利用模式耦合可以实现哪些集成光学器件？

模式耦合：波导中由于某种原因产生的由一种模式向另外一种模式的转换，或多个波导组成的系统中，其中一个波导传输的模式向另外波导的转移。

模式耦合可实现：

①导波模的耦合

Ⅰ.同向耦合（应用：光耦合器、Y分支、M-Z干涉仪）

Ⅱ.反向耦合（应用：光纤布拉格衍射光栅）

②导波模与辐射模的耦合（应用：棱镜-波导耦合）

习题2.11棱镜耦合器和光栅耦合器各有什么特点？

棱镜耦合法的优点：

①在最佳条件下可以得到很高的效率（输入时约为80%，输出时约为100%）

②可以从所有导波模中任选一种进行激励。

③不仅适用于平板波导，在条形波导的情况下也可以高效率地使用。

④棱镜位置可即可离，能够在实验过程中调整，以实现最大耦合强度。

棱镜耦合法的缺点：

①棱镜与波导间隙以及入射光束的位置需要进行精心调整，缺乏稳定性。

②棱镜耦合器所用的材料应满足n p＞n1，冰洁对所用的光波长透明，无显著吸收与散射。

③由于棱镜耦合器入射光必须高度对准，很难用半导体激光器激励。

棱镜耦合法必须有一个提供稳定机械应力的装置来调整与波导间的缝隙，因震动和温度变化所引起的不稳定性不可避免，因此很难进行在实际中进行应用。光栅耦合法避免了这个问题，并具有模式选择的优越性。

光栅耦合器的优点：

①不受光波导材料折射率大小的限制。

②可以选择所有导模中的任意一种进行激励。

③可以与波导集成。震动或外界环境的变化，不会改变耦合效率，稳定性好，体积小，价格便宜。

④调整光束的入射位置时不需要特别严格的精度。

⑤也可以在横方向进行同样的耦合，因此可以激励宽度非常大的波导光。

光栅耦合器的缺点：

①光栅耦合与入射光角度的高度相关性，光栅耦合器不能有效地用于发散光束的耦合。

②光栅耦合器设计过程需要进行复杂的理论计算，而且制作比较困难。

③器件的参数在制作后无法进一步调整。

④对于条形波导，光束截面的匹配比较困难。

第三章晶体在外场作用下的光学性质

3.1 晶体光学简介

七大晶系按二阶介电张量的不同分为三大类

①高级晶族②中级晶族③低级晶族

3.2 电光效应

电光效应：外加电场引起介质折射率变化的现象。表达式：n-n0=aE+bE2+...

一次项代表线性电光效应或泡克耳斯效应；二次项代表二次电光效应或克尔效应。

3.3 声光效应

弹光效应：介质在外力的作用下产生弹性形变，进而引起介质折射率变化的现象。声光效应：声波和超声波是一种弹性波，通过介质时会引起介质折射率的周期性变化的现象。声光效应是弹光效应的具体表现形式之一。

3.4 热光效应

热光效应：晶体折射率随温度改变而变化的现象。

要分析器件的某些加热体加热引起的折射率变化的分布，仅仅考虑热光效应是不够的，还需要考虑器件内的热传导过程。

3.5 磁光效应

磁光效应①法拉第旋转效应（磁致旋光效应）②磁致双折射效应

法拉第旋转效应：某些晶体中，当线偏振光沿光轴通过晶体后，偏振方向可以发生旋转。

磁致双折射效应：一束线偏振光沿垂直与外加磁场的方向进入磁光介质后，由于磁化导致的磁致各向异性，线偏振光将分解为两束偏振光，它们的相速度不同，传播方向也不一定相同，即出现了双折射现象。

习题3.1单轴晶体和双轴晶体有什么区别？

在一个特殊的传播方向上，偏振方向互相垂直的任意两个线偏振光的折射率和位相速度都相同，称为这个特殊方向为晶体的光轴。单轴晶体只有一个光轴，双轴晶体具有两个光轴。