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。

习题3.4什么是热光效应？要分析器件的加热体加热引起折射率变化的分布，除了考虑热光效应外，还需要考虑哪些因素？
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。

习题 3.5法拉第旋转效应中光线的传播方向与磁场强度方向之间有何关系？磁致双折射效应中光线的传播方向与磁场强度方向之间有何关系？
法拉第旋转效应是发生在磁场与光传播方向平行时的磁光效应，磁致双折射效应则发生在光沿垂直于外加磁场方向传播的情形。

第四章光有源器件
有源器件：对光波具有振荡、放大和光电转换等功能的光
电器件。

Eg：半导体激光器（电光转换）、半导体光放大
器（光光转换）、光探测器（光电二极管）（光电转换）。

无源器件：没有上述功能的器件。

耦合器、透镜、光开关、调制器、隔离器、环形器。

4.1 半导体激光器和集成光源
半导体激光器产生激光的三个基本条件：
①通过泵浦过程形成粒子数反转，使受激辐射占优势，具有
光增益作用（必要条件）。

②需要有共振腔（谐振腔），以实现光的反馈和模式选择。

③泵浦能量要足够强，使增益超过损耗，即达到和超过阈值
增益条件，以维持稳定的激光振荡（充分条件）。

4.2 半导体光放大器
两类光放大器件①光纤光放大器②半导体光放大器（SOA）
SOA的分类
①法布里-珀罗型半导体光放大器（FP-SOA）：设置在激射阈
值电流以下的半导体激光器，具有谐振腔，对信号进行谐
振放大，使外来的光信号获得较大的腔内增益。

要求光信号与谐振模有精密的匹配，增益谱宽很窄。

端面反射率较大（30%左右）。

应用：光存储。

②行波型半导体光放大器：一个没有反馈的激光器，其核心是当放大器被光或电泵浦时，使粒子数反转获得光增益，它的腔面反射率很小，尽量使入射光信号只在其内获得单程放大。

③注入锁定半导体光放大器：将FP-SOA偏置于阈值电流以上，从一端输入微弱的单模光信号，此频率落在多模激光器的频谱内，光信号被锁定并放大。

具有宽的增益带宽。

4.3 集成光探测器
功能：将光信号转换为电信号，要求探测灵敏度高、响应速度快、便于集成。

半导体二极管（PD）光电探测器可分成三类：
①一类利用光生伏特效应工作。

光生伏特效应：产生光生载流子，载流子向结区扩散，产生光生电动势。

②一类利用在反向偏压下的p-n工作。

光电流探测：反向偏压（n正p负），光生载流子在偏压下形成光电流。

③利用半导体的光电导效应工作。

光电导效应：在光照射下光电导增加。

4.3.2 雪崩光电二极管----------------原理是：雪崩倍增效应。

4.3.3 肖特基势垒探测器
肖特基势垒探测器与p-n结探测器没有本质上的差别，只是收集光生载流子的p-n结被
金属-半导体（半导体与金属）接触形成的肖特基势垒结代替（金属除Ag银以外）。

习题4.1利用半导体中电子与光子相互作用的过程，分析与比较半导体激光器、半导体光放大器和光探测器的工作原理有何不同？
半导体激光器：电光转换。

半导体光放大器：光光转换。

半导体光探测器：光电转换。

半导体激光器和光放大器的作用机理：受激发射。

半导体光探测器的作用机理：受激吸收。

习题4.3法布里-珀罗半导体型光放大器、行波型半导体光放大器和注入锁定型半导体光放大器的工作条件和端面的反射率有何不同？
FP-SOA和行波型SOA的主要差别在于端面反射率的不同，而注入锁定型SOA在结构上与FP-SOA完全相同，只是它被偏置在阈值电流以上。

FP-SOA：设置在激射阈值电流以下，端面反射率较大（30%左右）。

行波型半SOA：反射率很小（＜10-4）
注入锁定型SOA：偏置在阈值电流以上。

习题4.5雪崩光电二极管的探测灵敏度为何比p-n结光电二极管的探测灵敏度高？
雪崩光电二极管利用光生载流子的雪崩效应工作，雪崩效应导致光电流在器件内部得到了放大，探测灵敏度得以大大提高。

雪崩倍增效应：由于耗尽层很薄，当光电二极管的反向偏压高到一定的程度，就会在耗尽层内产生一个强电场区。

强电场对光生载流子的加速使得在炉子获得很大的动能，以致它们在漂移运动中可以由于碰撞电离而激发起另外的电子，这个电子又加速到高能并通过碰撞产生更多的电子，如此的连锁反应使得光电二极管内部产生的载流子的数目剧增，出现所谓载流子的“雪崩”，导致反向结电流成倍地增长。

第五章集成光无源器件
集成光无源器件包括光波导、光耦合器、光开关、分波与合波器（分支波导）、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、光环行器等。

5.1 基本元件①定向耦合器②分支波导③分束器④透镜
5.1.1 定向耦合器及分支波导①定向耦合器②分支波导
透镜：具有聚焦成像和傅里叶变换两种功能的重要光学元件。

利用透镜的聚焦成像功能，可以实现对光束的聚焦、发散、汇聚、扩束和准直等功能。

波导型透镜：①模折射率透镜②短程透镜③折射和衍射型微透镜
5.2.1 电光开关和电光调制器
调制器：主要作用是通过瞬时改变光波的某一特性将信息加载到光波上。

调制器一般用电光效应或声光效应使折射率改变，或用磁光效应使光的透过率变化实现光调制。

开关器：将光接通或截断，或是改变光线的传输路径。

电光开关与调制器：
①定向耦合器型电光开关与调制器②马赫-曾德尔干涉仪型电光开关与
调制器
③全内反射型电光开关与调制器④布拉格衍射型电光调制器
5.3 声光集成器件
声光集成器件：共线性和非共线型声光集成器件。

①共线模式转换型声光集成器件②非共线布拉格衍射型声光器件
5.4 热光开关和调制器
热光开关的优点：制作简单、成品率高、成本低、易于集成。

热光开关的缺点：开关时间相对较长、功耗较大、器件的尺寸也较大。

热光开关和调制器：干涉型和非干涉型。

①马赫-曾德尔干涉仪型热光开关和调制器②Y分支热光数字光开关
5.4.1 马赫-曾德尔干涉仪型热光开关和调制器（M-Z干涉仪型热光开关和调制器）工作原理：通过电流加热的方法，使介质的温度变化，导致光在介质中传播的折射率和相位发生改变，进而实现光信号的通断。

5.4.2 Y分支热光数字光开关
对于Y分支，不加热时，主臂的有效折射率大于支臂，光从主臂通过，当对支臂加热时，其折射率增大，光束从支臂通过。

5.5 磁光隔离器和环形器
5.5.1 波导型磁光隔离器
功能：只允许单向光传播，防止反向传输。

用于激光器或光放大器之后，以消除反射光的影响，使系统工作稳定。

主要参数要求：低插入损耗（~0.5dB），高隔离度（40~40dB）
5.2.2 波导型磁光环形器
光环行器与光隔离器工作原理基本相同，只是光隔离器一般为两端口器件，而光环形器则为多端口器件。

在光网络中用于信号的上、下载。

第六章系统集成
6.1 光集成的方式①功能集成②个数集成
6.1.1 功能集成（带调制器的集成光源、波长可变光源）
功能集成：通过把不同功能的元件集成在一起，制造出具有新的功能，或者高功能、高性能的器件或体系。

会产生新功能。

6.1.2 个数集成（半导体激光器阵列、光探测器阵列、矩阵式光开关阵列）
个数集成：将多个同样的光元器件集成在一个衬底上。

不会产生新功能。

6.2 光集成的类型①全光集成②混合光电集成
6.2.1 全光集成
将无源元器件及有源元器件集成到同一块衬底上，不涉及电子电路以及光-电-光转换元器件
各光学元器件以薄膜和波导的形式实现全光集成。

集成光路：PIC
6.2.2 混合光电集成
混合光电集成发展方向
①发展不同的可集成的基本单元体系。

减少研发生产成本。

②使用更先进的或者新型工艺制造出的子部件，来替换原有的光电子集成子部件，而不须修改整个制造工艺。

③全部制造工艺应包含尽可能少的工艺流程步骤。

④尽可能使用紧凑的芯片设计。

⑤发展具有复杂功能的器件，而不增加工艺复杂程度。

⑥解决光学和电子器件间的工艺相容性。

⑦解决热隔离和电隔离问题。

⑧提高光耦合效率。

6.3 光集成的技术途径①单片集成②混合集成
6.3.1 单片集成
与混合集成相比，单片集成性能更稳定，这相当于提高可靠性与降低成本。

但单片集成需要注意的是，不同的组件安置得相互很靠近的话需要考虑相互之间的串扰（电的、光的、热的）。

6.3.2 混合集成
将光有源器件装配到无源波导衬底上的困难，却成为它发展的一个障碍。

习题6.1光集成的方式有哪些？光集成的类型有哪两种？
集成方式①功能集成②个数集成
集成类型①全光集成②混合光电集成
习题6.3单片集成与混合集成各有什么优缺点。

单片集成
优点：易小型化，将来可降低成本
缺点：元件个数、密度受到限制，弯曲程度受到辐射损耗的限制，限定了某些光路元件必须具有足够的长度，输入与输出波导的间隔赢大于所接光纤的直径。

需要采用光纤连接，要求对准精度很高。

混合集成
优点：材料选择组合范围宽，可以使用最优化高性能有源器件。

缺点：将光有源器件装配到无源波导衬底上的困难。

第七章集成光学器件的材料
7.1 集成光学器件用材料的共同要求
①材料要易于形成质量良好的光波导，且形成的光波导能满足器件功能的要求：传输损耗小于1dB/cm，材料工艺性能好，能够易于形成折射率匹配的波导层。

②集成性能好，在同一衬底上集成尽量多的不同性能的功能元件。

Ⅲ-Ⅴ化合物半导体。

③经济性，材料本身与其加工的经济性。

7.2 半导体材料
根据能带结构，半导体材料分为直接带隙材料和间接带隙材料两种。

7.2.1 间接带隙半导体
间接带隙半导体：导带底部与价带顶部处于不同波矢位置，在光子作用下，电子在价带和导带之间的跃迁，必须有声子参与才能保持整个跃迁过程的能量及动量守恒。

硅（Si）是集成光学中优良的衬底材料。

大尺寸，易于加工，加工工艺与传统微电子工艺兼容。

7.2.2直接带隙半导体
直接带隙半导体材料：不需要声子参与，跃迁过程就能保持能量及动量守恒，因而受激辐射具有较大的概率。

7.3 介质材料
7.3.1 LiNbO3和LiTaO3晶体
铌酸锂（LiNbO3）和钽酸锂（LiTaO3）具有较高的居里温度，较大的电光系数和非线性光学系数，高的机械品质因素和较低的声损耗。

7.4 聚合物材料
聚合物材料和玻璃材料都属于无定形材料。

7.4.1 聚合物材料
聚合物材料的优点：成本低（无需真空），制造工艺简单，适合大规模生产；具有电光和热光效应，适合制作电光和热光集成器件。

聚合物光波导一般都有很小的传输损耗。

聚合物材料的缺点：稳定性较差，机械强度差。

7.4.2 玻璃材料
习题7.1制作集成光学器件的半导体材料主要可以分为哪两类？分别用于制作哪些器件？根据能带结构，半导体材料分为直接带隙材料和间接带隙材料两种。

间接带隙半导体材料：半导体激光器、光耦合器、波分复用/频分复用的光合波器、光开关阵列。

直接带隙半导体材料：光源、光放大器和光探测器。

习题7.4比较LiNbO3晶体和LiTaO3晶体，哪种晶体在集成光学器件制作中应用较多？原因何在？
LiNbO3比LiTaO3晶体的居里温度高，因此LiNbO3的应用更广泛。

习题7.5光波导用的聚合物材料有哪些独特优点，存在哪些不足？
聚合物材料的优点：成本低（无需真空），制造工艺简单，适合大规模生产；具有电光和热光效应，适合制作电光和热光集成器件。

聚合物光波导一般都有很小的传输损耗。

聚合物材料的缺点：稳定性较差，机械强度差。

第八章集成光学器件的主要制作工艺
薄膜的形成方法①淀积②外延生长
8.1 薄膜淀积技术①真空蒸发淀积②溅射淀积③离子镀
④化学气相淀积⑤等离子体增强化学气相淀积
8.2 薄膜外延生长技术①同质外延②异质外延
外延生长技术：在一个单晶衬底上，定向地生长与衬底晶体结构相同或类似的晶态薄层，控制生长的结晶取向和杂质含量。

根据外延生长的材料成分可以分为同质外延和异质外延。

异质外延①共度生长②不共度生长③庸晶生长
8.2.1 外延生长过程和生长模型
外延生长过程①直接过程②间接过程
外延生长模型①核生长型②层生长型③层核生长型
外延生长技术①液相外延生长②分子束外延③金属有机化合物气相外延
8.3 微细图形加工技术
光刻技术：将集成光学设计的微细图形信息转移到衬底基片表面，形成由抗蚀胶层构成的微细图形的窗口。

在掩模的窗口通过刻蚀、淀积或外延生长，实现图形相关的微细结构。

8.3.1 抗蚀胶（光刻胶）
抗蚀胶是一种光敏物质，分为正性抗蚀胶和负性抗蚀胶。

正胶：在显影过程中，已曝光部分在显影溶液里被溶解掉，未曝光部分保留抗腐蚀的掩模能力。

负胶：未曝光部分在显影溶液里被溶解掉，已曝光部分保留抗腐蚀的掩模能力。

主要性能指标：灵敏度和分辨度。

光刻工艺步骤的典型流程
清洗基片：丙酮→乙醇→去离子水
脱水烘烤：150~200℃，真空或干燥氮气，除去表面吸附的水分。

增粘处理：使表面具有疏水性，增强基底表面与光刻胶的黏附性。

六甲基二硅亚胺（HMDS），高蒸汽压容器。

旋涂：光刻胶厚度与粘度，转速有关，膜厚需要均匀。

软烘：曝光之前的烘烤，去除溶剂，90~100℃（去边珠）
曝光：控制光源波长，能量，曝光时间，使光刻胶部分变得易于溶解。

曝光后烘烤
显影：正胶用碱性显影液（KOH），严格控制温度（1℃）。

坚膜：硬烘，105~120℃烘烤。

固胶
8.3.2 光刻技术①光学光刻②非光学光刻
光刻：将已经设计好的图形从掩模板（Mask）传递到芯片表面的抗蚀胶上的过程。

光刻的质量指标：分辨率、光刻精度、对准精度、缺陷密度
光刻机的主要技术指标
①分辨率（最小特征尺寸——线宽）
②特征（线宽）尺寸的标准误差
③套刻精度
④景深（焦深）
⑤生产率
光刻技术包括光学光刻和非光学光刻。

①光学光刻
Ⅰ.接触式和接近式曝光光刻
接触式光刻机的掩模直接压在涂有抗蚀胶的衬底上。

接近式曝光光刻中掩模悬浮在衬底上面，有10~50μm的间隔。

Ⅱ.投射式曝光光刻
②非光学光刻曝光技术
Ⅰ.X射线光刻
Ⅱ.电子束光刻系统（优点：分辨率高）
Ⅲ.离子束光刻（常用于：掩膜板的修复）
8.3.3 蚀刻
蚀刻：在光刻步骤后，用化学的、物理的或同时使用化学和物理的方法，有选择地把没有被抗蚀胶掩蔽那一部分薄膜层除去，从而在薄膜上得到和抗蚀剂膜上完全一致的图形的工艺。

影响蚀刻的因素
①蚀刻的选择性
②蚀刻速度
③蚀刻均匀性
④蚀刻的各向异性
⑤分辨率和纵横比
Ⅰ.湿法（化学）蚀刻
Ⅱ.干法蚀刻①溅射蚀刻②离子铣③反应离子蚀刻
习题8.2 为什么说光刻技术是微细加工技术中的关键和核心的工序？光刻的质量主要由哪些性能指标来度量？
对准在微细图形制造中是非常重要的，因为它限制了集成密度和集成器件性能。

光刻的质量指标：分辨率、光刻精度、对准精度、缺陷密度。

习题8.3 绘出光刻工艺步骤的典型流程图。