光电子学(第四章4)

1、 湖南大学物理与微电子科学学院，王玲玲2016 年 3 月物理与微电子科学学院School of Physics and MicroelectronicsScience 光电子学 第四章 光辐射在介质波导中的传播 第十讲问题一：怎样引出导模成立的条件问题一：怎样引出导模成立的条件 推出: 波导层, 满足 . 022120nk)934(0)(222022yjyEnkxE波动方程 )1034(0)(222022yjyHnkxH)1114(sincos011011izixknkknkk1在x和z向分量 解Ey波动方程常系数二阶微分方程, (非截止态), Ey周期变化解, E分量稳分布方程有解. 10

2、nk问题二：导波模成立条件及模式分布类型问题二：导波模成立条件及模式分布类型 222202()0(4.3.9)yjyEk nEx波导层, 满足 条件(振荡). 022120nk振荡 衰减 衰减 )1134(0302011312knknkni或e： (衰减), 三介质层E指数. 10nk302010nknknk振荡 振荡 衰减 b: 薄膜及衬底层振荡; 包层衰减, 302010nknknk振荡 振荡 振荡a: 三区域均振荡, n与 关系: 薄膜衬底层包层 不希望 不希望 希望 希望 不希望 022220nk022320nk问题三：为什么要研究矩形波导问题三：为什么要研究矩形波导 平板波导: 只x

3、向对光波约束, y向无约束光波传播. 缺点: 光波导使传播光束沿非限制向发散非限制向发散, 影响器件性能 . 集成光学, 发展介质波导器件-矩形波导(条形, 带状波导). 光沿z传播, 横截面x和y向, 受约束. 不发散. 涉及二维二维EH, 复杂. Ex, Hy主要分量 波型; xmnE横截面光场分量Ey, Hx 波型; ymnE上标y, x E偏振向; 下标m, n为x, y驻波极值点数. 问题四：分别说明问题四：分别说明 意义意义 xmnymnEE,光辐射在介质波导中的传播 44-7 光纤损耗与色散 4-6 光纤中电磁波模式理论 4-3 平板波导的电磁理论 4-2 介质平板光波导的射线分

4、析方法 4-1 光在介质分界面上的反射与折射 4-8 光波导装置与应用 4-5 光纤中的射线分析（上、下） 4-4 矩形介质波导基本概念（上、下下） 思路: 先：平板光波导传播光束沿非限制向发散，影响器件性能 ，矩形介质波导物理模型； 后：波导各区波矢分布。 4-1光在介质分界面上反射与折射4-2介质平板上光波导射线分析方法 4-3平板波导电磁理论 4-4矩形介质波导矩形介质波导基本概念基本概念4-5光纤中射线分析4-6光纤中电磁波模式理论4-7光纤损耗与色散4-8光波导装置与应用矩形介质波导物理模型 矩形波导概念 矩形介质波导各区波矢分布 1 1 3 3 2 2 平板波导：x对光波约束, y

5、向无约束光波传播. 缺点: 波导使传播光束沿非限制方向发散非限制方向发散, 影响器件性能 . 集成光学, 介质波导器件矩形波导(条形, 带状波导). 光沿z传播, 横截面x和y向, 波导受约束. 二维电磁场二维电磁场复杂, 无法严格解析解; 限制: 数值计算麻烦, 物理图像不清; 仅: 近似计算及分析. 一、矩形介质波导的物理模型一、矩形介质波导的物理模型 二、半导体波导理论 4-1光在介质分界面上反射与折射4-2介质平板上光波导射线分析方法 4-3平板波导电磁理论 4-4矩形介质波导矩形介质波导基本概念基本概念4-5光纤中射线分析4-6光纤中电磁波模式理论4-7光纤损耗与色散4-8光波导装置

6、与应用一、矩形介质波导的物理模型一、矩形介质波导的物理模型 二、半导体波导理论 4-1光在介质分界面上反射与折射4-2介质平板上光波导射线分析方法 4-3平板波导电磁理论 4-4矩形介质波导矩形介质波导基本概念基本概念4-5光纤中射线分析4-6光纤中电磁波模式理论4-7光纤损耗与色散4-8光波导装置与应用圆柱波导（光纤） 矩形波导（条形） 薄膜波导（平板） 一、矩形介质波导的物理模型一、矩形介质波导的物理模型 二、半导体波导理论 4-1光在介质分界面上反射与折射4-2介质平板上光波导射线分析方法 4-3平板波导电磁理论 4-4矩形介质波导矩形介质波导基本概念基本概念4-5光纤中射线分析4-6光

7、纤中电磁波模式理论4-7光纤损耗与色散4-8光波导装置与应用矩形波导 矩形波导周围材料不全同; 波导不镶嵌同衬底材料中, 及周围介质分9区. 4阴影区, 导波泄漏数量少, 不考虑; 余5区, 标n; EM分布由: 层与层间n比较, 入射光 及入射角定. 4-1光在介质分界面上反射与折射4-2介质平板上光波导射线分析方法 4-3平板波导电磁理论 4-4矩形介质波导矩形介质波导基本概念基本概念4-5光纤中射线分析4-6光纤中电磁波模式理论4-7光纤损耗与色散4-8光波导装置与应用一、矩形介质波导的物理模型一、矩形介质波导的物理模型 二、半导体波导理论 设: 4包层n2, n3, n4, n5略临界

8、角不穿过, 全反射 ）（5242222131201mcoskdni平板波导特征或色散方程 ）（9241)(213212221nndM1. 模式数量 3. 第m 阶导模截止厚度 2. 第m 阶导模截止频率 ）（1124)1()(213212221mnndc）（1024)1()(13212221mnndcc4-1光在介质分界面上反射与折射4-2介质平板上光波导射线分析方法 4-3平板波导电磁理论 4-4矩形介质波导矩形介质波导基本概念基本概念4-5光纤中射线分析4-6光纤中电磁波模式理论4-7光纤损耗与色散4-8光波导装置与应用一、矩形介质波导的物理模型一、矩形介质波导的物理模型 二、半导体波导理

9、论 矩形波导三种TE模场分布及波导表面I分布 4-1光在介质分界面上反射与折射4-2介质平板上光波导射线分析方法 4-3平板波导电磁理论 4-4矩形介质波导矩形介质波导基本概念基本概念4-5光纤中射线分析4-6光纤中电磁波模式理论4-7光纤损耗与色散4-8光波导装置与应用一、矩形介质波导的物理模型一、矩形介质波导的物理模型 二、半导体波导理论 4-1光在介质分界面上反射与折射4-2介质平板上光波导射线分析方法 4-3平板波导电磁理论 4-4矩形介质波导矩形介质波导基本概念基本概念4-5光纤中射线分析4-6光纤中电磁波模式理论4-7光纤损耗与色散4-8光波导装置与应用矩形波导三种TM模场分布一、

10、矩形介质波导的物理模型一、矩形介质波导的物理模型 二、半导体波导理论 矩形波导相速， c截止波长 4-1光在介质分界面上反射与折射4-2介质平板上光波导射线分析方法 4-3平板波导电磁理论 4-4矩形介质波导矩形介质波导基本概念基本概念4-5光纤中射线分析4-6光纤中电磁波模式理论4-7光纤损耗与色散4-8光波导装置与应用2)(1cPvv22)()(2bnamc一、矩形介质波导的物理模型一、矩形介质波导的物理模型 二、半导体波导理论 矩形波导TE和TM波相速vp性质： (1) vpv，TE和TM波相速TEM波速； (2) vp频率函数，矩形波导色散传输系统； (3) vp是m和n函数，vp与波

11、传播模式有关。 矩形波导内群速 4-1光在介质分界面上反射与折射4-2介质平板上光波导射线分析方法 4-3平板波导电磁理论 4-4矩形介质波导矩形介质波导基本概念基本概念4-5光纤中射线分析4-6光纤中电磁波模式理论4-7光纤损耗与色散4-8光波导装置与应用2vvvPg三种速度vg，vp，v（波速）间关系 一、矩形介质波导的物理模型一、矩形介质波导的物理模型 二、半导体波导理论 c分布分布 4-1光在介质分界面上反射与折射4-2介质平板上光波导射线分析方法 4-3平板波导电磁理论 4-4矩形介质波导矩形介质波导基本概念基本概念4-5光纤中射线分析4-6光纤中电磁波模式理论4-7光纤损耗与色散4

12、-8光波导装置与应用22)()(2bnamca=7.0cm和b=3.0cm矩阵，求各模式 c依大小排列。 工作 14cm进入截止区，波不能传播； 工作 TE20与TE10 c间， 只存在TE10模沿波导传播。一、矩形介质波导的物理模型一、矩形介质波导的物理模型 二、半导体波导理论 光辐射在介质波导中的传播 44-7 光纤损耗与色散 4-6 光纤中电磁波模式理论 4-3 平板波导的电磁理论 4-2 介质平板光波导的射线分析方法 4-1 光在介质分界面上的反射与折射 4-8 光波导装置与应用 4-5 光纤中的射线分析（上、下） 4-4 矩形介质波导基本概念（上、下下） 先：介绍控制半导体n方法，材

13、料特定区得周围n； 然：同质与异质结讨论平板波导及单模工作条件； 后：半导体波导损耗。 思路： 半导体波导例，从变半导体n入手，接着讨论半导体平板波导截止条件，分同质和异质结，最后讨论损耗； 4-1光在介质分界面上反射与折射4-2介质平板上光波导射线分析方法 4-3平板波导电磁理论 4-4矩形介质波导矩形介质波导基本概念基本概念4-5光纤中射线分析4-6光纤中电磁波模式理论4-7光纤损耗与色散4-8光波导装置与应用半导体平板波导截止厚度（同质，异质结） 改变半导体n方法 半导体波导损耗 1 3 2 光波导的材料及制备方法 3 2 1质子交换离子交换与扩散改性非晶准晶结晶：刚玉基片外延生长非真空

14、镀膜真空蒸发镀膜沉积波导膜半导体波导令人感兴趣： 同基片造出集成光学需各元件： 激光器、 探测器、 光电开关和调制器、 波导元件及 电子线路。 讨论半导体光波导理论基础。 任何材料光波导控制与功率流方向 平面n变。 一、矩形介质波导的物理模型 二、半导体波导理论二、半导体波导理论 4-1光在介质分界面上反射与折射4-2介质平板上光波导射线分析方法 4-3平板波导电磁理论 4-4矩形介质波导矩形介质波导基本概念基本概念4-5光纤中射线分析4-6光纤中电磁波模式理论4-7光纤损耗与色散4-8光波导装置与应用高浓度自由载流子半导体基质，低载流子浓度半导体波导层(a)； 层厚和n达临界值，光在波导层传

15、播(b)。 形成波导，在半导体构造比周围材料n高区域（n1n2n3）； （1）自由载流子效应）自由载流子效应 半导体n与含自由载流子浓度相关，载流子浓度高，n小！ 自由载流子效应自由载流子效应 改变成分影响 低载流子浓度 (波导层) 高浓度自由载流 子(基质)n3n1n2 包层 薄层 衬底 1. 改变半导体改变半导体 n 方法方法 2. 半导体平板波导 3. 半导体波导中的损耗 4-1光在介质分界面上反射与折射4-2介质平板上光波导射线分析方法 4-3平板波导电磁理论 4-4矩形介质波导矩形介质波导基本概念基本概念4-5光纤中射线分析4-6光纤中电磁波模式理论4-7光纤损耗与色散4-8光波导装

16、置与应用一、矩形介质波导的物理模型 二、半导体波导理论二、半导体波导理论 电场效应 形变效应 衬底 薄层 n3=1 包层 材料n随自由载流子浓度 而 原因？ 自由载流子有助电导发生，浓度高， 小，与介电常数1/2次方成正比n越小。 20n) 156(4*22202mceNfcfcfc2/1012/112/12/102/102)()256()1 ()1 ()()(nnnfcfcfc210)(n4-1光在介质分界面上反射与折射4-2介质平板上光波导射线分析方法 4-3平板波导电磁理论 4-4矩形介质波导矩形介质波导基本概念基本概念4-5光纤中射线分析4-6光纤中电磁波模式理论4-7光纤损耗与色散4

17、-8光波导装置与应用Nft , ft , n 不含自由载流子不含自由载流子 ，单位体积含单位体积含Nfc自由载流子介电常数实部（ 0真空 )： 波导中: 不含载流子材料n 自由载流子效应自由载流子效应 改变成分影响 1. 改变半导体改变半导体 n 方法方法 2. 半导体平板波导 3. 半导体波导中的损耗 一、矩形介质波导的物理模型 二、半导体波导理论二、半导体波导理论 电场效应 形变效应 fc 总比 小得多，(6-5-2) ) 156(4*22202mceNfcfcfc2/1012/112/12/102/102)()256()1 ()1 ()()(nnnfcfcfc)456(8)356()21

18、1 ()211 (*21022021021112mcneNnnnnnnnfcfcfc20n4-1光在介质分界面上反射与折射4-2介质平板上光波导射线分析方法 4-3平板波导电磁理论 4-4矩形介质波导矩形介质波导基本概念基本概念4-5光纤中射线分析4-6光纤中电磁波模式理论4-7光纤损耗与色散4-8光波导装置与应用Nft , ft , n 自由载流子效应自由载流子效应 改变成分影响 1. 改变半导体改变半导体 n 方法方法 2. 半导体平板波导 3. 半导体波导中的损耗 一、矩形介质波导的物理模型 二、半导体波导理论二、半导体波导理论 电场效应 形变效应 p 半导体n含杂质成分函数，掺杂可改变

19、n p 改变半导体杂质成分n变比变自由载流子浓度引起n变明显。 p 外延生长技术对制造半导体波导有用（变杂质成分）。 4-1光在介质分界面上反射与折射4-2介质平板上光波导射线分析方法 4-3平板波导电磁理论 4-4矩形介质波导矩形介质波导基本概念基本概念4-5光纤中射线分析4-6光纤中电磁波模式理论4-7光纤损耗与色散4-8光波导装置与应用 自由载流子效应 改变成分影响改变成分影响 1. 改变半导体改变半导体 n 方法方法 2. 半导体平板波导 3. 半导体波导中的损耗 一、矩形介质波导的物理模型 二、半导体波导理论二、半导体波导理论 电场效应 形变效应 自由载流子浓度高GaAs上生长层掺A

20、l杂质较低自由载流子浓度A1GaAs为波导基质， 后者上低自由载流子浓度GaAs波导膜，Al ，A1GaAs n 。 载流子浓度高，n小。 GaAs，高 A1GaAs波导基质，低 GaAs, 低，波导膜 自由载流子 浓度较高GaAs 低较低高材料不同，异质结 包层 薄层 衬底衬底 载流子浓度 2/1012/112/12/102/102)()256()1 ()1 ()()(nnnfcfcfc) 156(4*22202mceNfcfcfc4-1光在介质分界面上反射与折射4-2介质平板上光波导射线分析方法 4-3平板波导电磁理论 4-4矩形介质波导矩形介质波导基本概念基本概念4-5光纤中射线分析4-

21、6光纤中电磁波模式理论4-7光纤损耗与色散4-8光波导装置与应用 自由载流子效应 改变成分影响改变成分影响 1. 改变半导体改变半导体 n 方法方法 2. 半导体平板波导 3. 半导体波导中的损耗 一、矩形介质波导的物理模型 二、半导体波导理论二、半导体波导理论 电场效应 形变效应 )656(45. 0 xn自由载流子效应引起n变 4-1光在介质分界面上反射与折射4-2介质平板上光波导射线分析方法 4-3平板波导电磁理论 4-4矩形介质波导矩形介质波导基本概念基本概念4-5光纤中射线分析4-6光纤中电磁波模式理论4-7光纤损耗与色散4-8光波导装置与应用)456(8)356()211 ()21

22、1 (*21022021021112mcneNnnnnnnnfcfcfcn 与T及 有关。 1.0 m，n随Al百分比浓度近 线性 （ =1.30 m）。 相对不掺杂GaAs， 掺0.2%Al， n0.09，远(6-5-4)自由载流子效应引n变。 自由载流子效应 改变成分影响改变成分影响 1. 改变半导体改变半导体 n 方法方法 2. 半导体平板波导 3. 半导体波导中的损耗 一、矩形介质波导的物理模型 二、半导体波导理论二、半导体波导理论 电场效应 形变效应 p线性电光效应材料，外来E变，n跟着变。 p闪锌矿晶体（ZrSiO4）III-V族半导体属这类。 4-1光在介质分界面上反射与折射4-

23、2介质平板上光波导射线分析方法 4-3平板波导电磁理论 4-4矩形介质波导矩形介质波导基本概念基本概念4-5光纤中射线分析4-6光纤中电磁波模式理论4-7光纤损耗与色散4-8光波导装置与应用 自由载流子效应 改变成分影响 1. 改变半导体改变半导体 n 方法方法 2. 半导体平板波导 3. 半导体波导中的损耗 一、矩形介质波导的物理模型 二、半导体波导理论二、半导体波导理论 电场效应电场效应 形变效应 u半导体形变，晶格常数，能带间隙随着变致n变。 u简压缩和拉伸形变，n变与T和压力变引起相似。 uIII-V族半导体大光弹系数，小形变引起n变明显。 p 波导电场效应电场效应和形变效应形变效应被

24、忽视，对波导影响，注意 ！4-1光在介质分界面上反射与折射4-2介质平板上光波导射线分析方法 4-3平板波导电磁理论 4-4矩形介质波导矩形介质波导基本概念基本概念4-5光纤中射线分析4-6光纤中电磁波模式理论4-7光纤损耗与色散4-8光波导装置与应用 自由载流子效应 改变成分影响 1. 改变半导体改变半导体 n 方法方法 2. 半导体平板波导 3. 半导体波导中的损耗 一、矩形介质波导的物理模型 二、半导体波导理论二、半导体波导理论 电场效应电场效应 形变效应 2222 1/2101/2231222122()()(1) (657)mnndnntgrmnn 低n基质有层高n膜非对称三层波导,

25、三层n满足n1n2n3, n31 波导传播TE和TM模依赖波导层厚d及波导层与约束层(衬, 包)n差 m模波导层dm与三层n关系: 常数, 模模TMnnTEr210, 1低较低高包层 薄层 衬底衬底 载流子浓度 4-1光在介质分界面上反射与折射4-2介质平板上光波导射线分析方法 4-3平板波导电磁理论 4-4矩形介质波导矩形介质波导基本概念基本概念4-5光纤中射线分析4-6光纤中电磁波模式理论4-7光纤损耗与色散4-8光波导装置与应用n3 n1 n2 ）（824)(130212221mdknn)624(arctancos)(sinarctan22212322213213bnnnnnniiTE

26、)724()arctan(2221232223113bnnnnnnTM 平板波导导模截止特征方程：平板波导导模截止特征方程： /20k1. 改变半导体 n 方法 2. 半导体平板波导半导体平板波导 3. 半导体波导中的损耗 一、矩形介质波导的物理模型 二、半导体波导理论二、半导体波导理论 )756() 1()()(22/122212322012/12221mnnnnrtgnndm131222121() 42 112()cdmnn（）（bnnnnnn724)arctan(2221232223113TM ）（bnnnnnnii624arctancos)(sinarctan2221232221321

27、3TE 2/122212/1222123220)(2) 1()(arctannnmnnnnrdm0121, TETMrnn模模TEnnmnnnndm2/122212/122212322)(2) 1()arctan(TMnnmnnnnnndm2/122212/12221232221)(2) 1()(arctan半导体平板波导 平板波导射线分析方法 二者形式相似 m模波导层截止厚dm与三层n关系 4-1光在介质分界面上反射与折射4-2介质平板上光波导射线分析方法 4-3平板波导电磁理论 4-4矩形介质波导矩形介质波导基本概念基本概念4-5光纤中射线分析4-6光纤中电磁波模式理论4-7光纤损耗与色散

28、4-8光波导装置与应用1. 改变半导体 n 方法 2. 半导体平板波导半导体平板波导 3. 半导体波导中的损耗 一、矩形介质波导的物理模型 二、半导体波导理论二、半导体波导理论 n3=n2，m=1：(6-5-7)d1=0：对称平板波导对称平板波导最低阶模，不存在dm 厚太小：大部分光逸出高n波导层外（厚不能太小）。 确定dm确定能否出现导模临界条件 对称平板波导对称平板波导， , ，零阶模m=0： 32nn 013）（，1524,000minccdd）（1024)1()(13212221mnndccc射线分析方法 4-1光在介质分界面上反射与折射4-2介质平板上光波导射线分析方法 4-3平板波

29、导电磁理论 4-4矩形介质波导矩形介质波导基本概念基本概念4-5光纤中射线分析4-6光纤中电磁波模式理论4-7光纤损耗与色散4-8光波导装置与应用)756() 1()()(22/122212322012/12221mnnnnrtgnndmm模 波导层截止厚dm与三层n关系 不存在dc， c和c，对称平板波导，任 光波都能以基模或0阶模传播。 )524(222cos2131201mkdni平板波导特征方程 )724()arctan(2221232223113bnnnnnn1. 改变半导体 n 方法 2. 半导体平板波导半导体平板波导 3. 半导体波导中的损耗 一、矩形介质波导的物理模型 二、半导

30、体波导理论二、半导体波导理论 同质结（上下两种材料同，n2=n3）平板波导例： n1=3.5，基质自由载流子浓度Nfc=21018cm-3， =1 m， n=0.0036，n3=1，代(6-5-7)，m模dm： 二者接近，m大尤如此（第二项主要作用）。 )856)(1(15051. 357138. 1TM) 1(15051. 352779. 1TEmdmdmm模对模对同质结对称平板波导 dm)756() 1()()(22/122212322012/12221mnnnnrtgnndm同质与异质结： 同质结同质结 异质结 m模，波导层dm与三层n关系 4-1光在介质分界面上反射与折射4-2介质平板

31、上光波导射线分析方法 4-3平板波导电磁理论 4-4矩形介质波导矩形介质波导基本概念基本概念4-5光纤中射线分析4-6光纤中电磁波模式理论4-7光纤损耗与色散4-8光波导装置与应用0121,TETMrnn模模)456(8)356()211 ()211 (*21022021021112mcneNnnnnnnnfcfcfc1. 改变半导体 n 方法 2. 半导体平板波导半导体平板波导 3. 半导体波导中的损耗 一、矩形介质波导的物理模型 二、半导体波导理论二、半导体波导理论 )856)(1(15051. 357138. 1TM) 1(15051. 352779. 1TEmdmdmm模模同质结对称平

32、板波导 dm异质结（两种材料异）波导截止厚由： 杂质浓度定， 例，GaAs/AlxGa1-xAs 波导，x=0.33， =1 m时 n=0.135，m模截止厚： )956)(1(51938. 025565. 0TM) 1(51938. 021156. 0TEmdmdmm模模异质结非对称平板波导 截止厚度 )756() 1()()(22/122212322012/12221mnnnnrtgnndmm模dm与三层n关系 4-1光在介质分界面上反射与折射4-2介质平板上光波导射线分析方法 4-3平板波导电磁理论 4-4矩形介质波导矩形介质波导基本概念基本概念4-5光纤中射线分析4-6光纤中电磁波模式

33、理论4-7光纤损耗与色散4-8光波导装置与应用0121,TETMrnn模模)456(8)356()211 ()211 (*21022021021112mcneNnnnnnnnfcfcfc 同质结 异质结异质结 1. 改变半导体 n 方法 2. 半导体平板波导半导体平板波导 3. 半导体波导中的损耗 一、矩形介质波导的物理模型 二、半导体波导理论二、半导体波导理论 )856() 1(15051. 357138. 1TM) 1(15051. 352779. 1TEmdmdmm模对模对同质结对称平板波导 截止厚度 )956() 1(51938. 025565. 0TM) 1(51938. 02115

34、6. 0TEmdmdmm模对模对异质结非对称平板波导 截止厚度 (6.5-9)与(6.5-8)比较： 异质结模dm比同质结相同模dm小得多， 设计波导时选材考虑！4-1光在介质分界面上反射与折射4-2介质平板上光波导射线分析方法 4-3平板波导电磁理论 4-4矩形介质波导矩形介质波导基本概念基本概念4-5光纤中射线分析4-6光纤中电磁波模式理论4-7光纤损耗与色散4-8光波导装置与应用1. 改变半导体 n 方法 2. 半导体平板波导半导体平板波导 3. 半导体波导中的损耗 一、矩形介质波导的物理模型 二、半导体波导理论二、半导体波导理论 光在半导体波导传输，有能量损耗， 引起损耗原因：导波横向

35、消逝模散射横向消逝模散射和 材料吸收光吸收光。 （1）吸收损耗组成波导每层半导体都吸收光，n+和p+型半导体，自由载流子对光吸收重要损耗机制，吸收系数： 载流子迁移率，Nfc自由载流子浓度，g依赖载流子散射t与能量关系: 声子散射, g略1； 吸收损耗吸收损耗 散射损耗 断开波导功率损耗 4-1光在介质分界面上反射与折射4-2介质平板上光波导射线分析方法 4-3平板波导电磁理论 4-4矩形介质波导矩形介质波导基本概念基本概念4-5光纤中射线分析4-6光纤中电磁波模式理论4-7光纤损耗与色散4-8光波导装置与应用)1556(4032*2203nCmNgec吸收系数 1. 改变半导体 n 方法 2

36、. 半导体平板波导 3. 半导体波导中的损耗半导体波导中的损耗 一、矩形介质波导的物理模型 二、半导体波导理论二、半导体波导理论 离子杂质散射, g=3 )1556(4032*2203nCmNgec吸收系数 (6.5-15)吸收系数与自由载流子浓度Nc 及光在真空中 平方 02成正比，载流子迁移率 成反比， 02正比关系近似，g对 依赖有关。 (6.5-15)求各层吸收损耗，波导总吸收系数： i和Pi波导第i层对光吸收系数和光功率，PT导波模总功率。 31/(65 16)iiTiP P 声子散射，g略1 离子杂质散射，g=3 4-1光在介质分界面上反射与折射4-2介质平板上光波导射线分析方法

37、4-3平板波导电磁理论 4-4矩形介质波导矩形介质波导基本概念基本概念4-5光纤中射线分析4-6光纤中电磁波模式理论4-7光纤损耗与色散4-8光波导装置与应用 吸收损耗吸收损耗 散射损耗 断开波导功率损耗 1. 改变半导体 n 方法 2. 半导体平板波导 3. 半导体波导中的损耗半导体波导中的损耗 一、矩形介质波导的物理模型 二、半导体波导理论二、半导体波导理论 散射损耗发生：波导转折处转折处或弯曲段。弯曲段。 光被约束特性，导波模弯曲波导传播，沿波导层上下表面传播场经不同经不同传播距离传播距离或不同传播速度，不同传播速度，引导波模向消逝波耦合。耦合。耦合模理论耦合模理论处理： 每弧度光能损耗

38、每弧度光能损耗为波导参量波导参量函数。 n波导层与基质n差； R弯曲波导曲率半径；b数值因子；w宽度。 2 3/28.6862 (1)8exp1(1)(1) (65 17)34(1)2RbbnRnnwnRbnnb Rwn nb4-1光在介质分界面上反射与折射4-2介质平板上光波导射线分析方法 4-3平板波导电磁理论 4-4矩形介质波导矩形介质波导基本概念基本概念4-5光纤中射线分析4-6光纤中电磁波模式理论4-7光纤损耗与色散4-8光波导装置与应用 吸收损耗 散射损耗散射损耗 断开波导功率损耗 1. 改变半导体 n 方法 2. 半导体平板波导 3. 半导体波导中的损耗半导体波导中的损耗 一、矩形介质波导的物理模型 二、半导体波导理论二、半导体波导理论 n R宽度宽度 4-1光在介质分界面上反射与折射4-2介质平板上光波导射线分析方法 4-3平板波导电磁理论 4-4矩形介质波导矩形介质波导基本概念基本概念4-5光纤中射线分析4-6光纤中电磁波模式理论4-7光纤损耗与色散4-8光波导装置与应用2 3/28.686 2 (1)8exp1 (1)(1) 34(1)2(65