光波导技术1

研究生课程作业封面课程名称：光波导技术基础学生姓名：王斌

学号：sc12038069 年级：2012级

刚开始接触光波导，在前两节课中，通过老师的讲解对光波导的理论进行了简单的了解。在课后的时间中，查阅相关的文献，对光波导领域中，波导激光器和集成光学的内容挺感兴趣。查阅了几篇文献，通过读文献，对波导激光器和集成光学有了一点基本的了解。这里，写一下感兴趣的综述，作为读文献的收获。我的了解比较浅显，没能很深入，还需要进一步的进行学习和研究。

光波导技术及涉及到的波导激光器一些综述

1.波导的基本介绍

波导作为信号传播的通道和器件的连接装置，是集成光学的重要组成部分，大多数的集成光学元件都是以波导为基础的。波导从结构上来讲，是一个被低折射率介质包围的高折射率区域，基于全反射原理光被限制在一个微米量级的传输区域内。通过上了两次课，老师的讲解，对波导的基本的知识，也有了大概的了解和理解，还在学习中。这里就不再进行介绍了，在课余时间对理论知识看了一些。

1.1 波导的结构和分类

波导是一个高折射率的区域，它的四周的介质低于内部的折射率，以满足全反射的条件。光通过在这种满足全反射条件的介质中传播，发生全反射以“z”字型来传播。根据对光维数限制的情况，波导可以分类为一维波导和二维波导。一维波导又称平面波导（如下图a所示），一维波导是由表面覆盖层、波导层、基质层三层折射率不同的介质层构成，满足全反射的折射率条件，覆盖层和衬底层的厚度比波导层的厚度要大的多，光线只受垂直方向（x）的限制。

二维波导是对腔内的光线进行x和z方向限制的波导。根据波导四周的介质

情况，又可以分类为脊型波导、埋层型波导和表面型波导（如上图b所示）。其中，埋层型波导和表面型波导就是传统意义的条形波导。有三个面与空气介质相接触，与基质材料相接触的有一个面，这种波导结构是脊型波导。其中，不和空气介质相接触，只和基质介质接触的波导结构，是埋层型波导。在基质材料之中制备波导，但是只有一个面与空气相接触的波导结构，是表面型波导。

波导结构按照波导形状又可以分为：光纤（圆柱形介质波导）、薄膜波导（平面波导）、矩形波导（条形波导）、带状波导。波导按照折射率来进行分类又可以分为均匀介质光波导和渐变折射率介质光波导。

1.2波导的制备方法

光波导的研究方法与当前科技的发展密不可分，随着技术的发展，新的制作方法不断的出现。波导的制备方法有很多种。这里简单的介绍几种常用的效果良好的制备波导结构的方法。

（1）载能粒子束所谓的载能粒子束法就是利用载能粒子和材料相互作用使得材料的折射率发生改变，从而制备波导结构。该方法对材料的性质影响轻微，而且该方法不受温度限制，可在任何温度下实行，可以准确的控制折射率的变化，广泛的应用于晶体、陶瓷、有机物、玻璃中。载能粒子束法可以分为离子注入式、快重离子辐照、聚焦质子束直写。主要介绍离子注入法。离子注入法使用具有一定能量的高速离子束来轰击材料表面，高速离子束通过使用高压电场加速离子获得，轰击材料表面的离子束与材料发生作用，使得离子束的能量不断减少，最后离子的能量不足以维持，就会留在材料中，这就会改变材料的折射率，从而制备出波导。离子注入制备的波导根据材料折射率变化的不同可以分为光位垒型、增强势阱型、光位垒+增强势阱型。折射率增强势阱是折射率增强的部分，光位垒是折射率降低的部分。离子注入方法主要有以下几个优势：1，适用范围广，100 多种光学材料。 2，在常温或低温下完成。 3，准确控制光波导的特征参数。4，可以形成“晶体”波导，晶体保持原有的属性。 5，重复性好。 6，可以与其它技术相结合等等。

光位垒型的波导结构

增强型的波导结构

（2）超快激光直写超快激光直写技术的原理是，激光聚焦处介质材料和激光发生非线性多光子吸收，这种效应可以使得材料的折射率发生改变，利用材料与超快激光的这种效应来控制材料折射率的改变，制备波导结构。这种方法应用广泛，适用于多种材料，还可以对介质进行内部的三维加工，制备波导。飞秒激光技术是超快激光直写的一种，其原理和超快激光直写是一样的，此外还有皮秒激光也属于超快激光。取决于材料的线性、非线性性质和写入条件的不同，飞秒激光直写可以使材料在激光焦点处的折射率升高或者降低。飞秒激光直写技术制备波导可以分为四种类型。1.灼烧写入：激光聚焦在材料的表面，焦点处被灼烧形成凹槽，在凹槽的下方位置，折射率升高从而可以构成波导结构。2.单线写入：

激光聚焦在了材料的内部，焦点处折射率升高，焦点按着直线行进，从而构成波导结构。3.双线写入：同样焦点也是在材料的内部，不过焦点处的折射率降低，周围介质折射率升高，写入两条直线，从而构成波导结构。4.四线写入：在双线写入的轨迹上，沿着与其垂直的方向上再写入两条直线，构成波导结构。

（3）选择性光诱导用光源选择性照射光折变晶体，利用品体的光折变性质改变晶体的折射率分布，在相对折射率升高的区域形成波导。这种方法制备的波导稳定性较差，多用于制备阵列结构以进行光孤子方面的研究。

虽然这种方法较前两种较差，但是这里列出来的原因是，光折变效应。这里对光折变效应进行一下了解和解释。光致折射率改变效应(即光折变效应)是电光材料在光辐照下由光强的空间分布引起材料折射率变化的一种非线性现象。其物理机制可以概括为以下几步：

(1)激发：晶体中的杂质、缺陷作为施主，在光辐照下会产生光激发载流子，施主失去电子后变成可以俘获光生载流子的空位。(2)迁移：光激发载流子通过浓度扩散、外加电场或光生伏打效应的作用，在晶体中漂移运动。(3)俘获：迁移中的载流子被空位俘获，然后再被光激发、再俘获，直至运动到没有光辐照的区域，这样就形成正负两种电荷的空问分离，电荷的空间分布与光强的空间分布相对应。(4)空间电荷场：这些电荷的空间分布在晶体内建立了相应的电场(空间电荷场)。(5)折射率变化-空间电荷场通过电光效应改变了晶体的折射率分布，折射率分布与光强的空间分布相对应。

所以通过这里，对光折变效应有了一个简单的了解。

（4）光刻技术制造条形波导

先准备制备的材料，然后在上面铺上一层光刻胶（分为正光刻胶和负光刻胶，所起的作用有所不同），用要刻得模板设置形状构成掩模板，将一部分光刻胶融掉（用光照射的方式是光刻胶进行化学反应），形成3所示，这样就形成一定图案，经过显影，洗掉未曝光的光刻胶，再对已经曝光的部分一系列处理形成能阻挡离子注入到材料内部的部分，最后如4所示进行离子注入，由于处理后的阻挡，所以离子只是注入到了未被阻挡的部分，形成光波导。