光电子学(第四章11)

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 第十七讲问题一：光纤的损耗有哪几种问题一：光纤的损耗有哪几种? 吸收损耗：吸收损耗： 本征吸收损耗，本征吸收损耗，紫外区紫外区吸收，电子跃迁电子跃迁引起； 红外区红外区吸收，晶格振动晶格振动及多声子过程多声子过程引起； 过渡金属正离子和水氢氧根负离子；过渡金属正离子和水氢氧根负离子； 熔融石英玻璃含水；原子缺陷吸收损耗; 耗散损耗： 线性散射损耗，线性散射损耗，瑞

2、利散射，瑞利散射，米氏散射；米氏散射； 非线性散射损耗；波导散射损耗； 弯曲损耗： 弯曲处曲率半径越小，损耗越大；弯曲处曲率半径越小，损耗越大； 越长，损耗越大； 问题二：什么是光纤的色散？问题二：什么是光纤的色散？ 问题三：光纤的色散有哪几种？哪些属于模内色散？哪些属于问题三：光纤的色散有哪几种？哪些属于模内色散？哪些属于模间色散？单模光纤与多模光纤分别由什么为主？模间色散？单模光纤与多模光纤分别由什么为主？ 引起色散：材料色散，材料色散，波导色散，波导色散，模间色散；模间色散； p模内色散：模内色散：材料色散材料色散与波导色散（单模光纤）波导色散（单模光纤）； p模间色散（多模光纤）。模间

3、色散（多模光纤）。 问题四：材料色散主要由什么决定？问题四：材料色散主要由什么决定？ 问题五：波导色散主要由什么决定？问题五：波导色散主要由什么决定？ 波导色散：波导色散：光纤几何特性使信号相位相位和群速度群速度随 变引起色散，光纤结构引起，属模内色散； 入射角不同致不同 光波传输路程不同引起引起时延差致波导色散； 波导色散：与尺寸（线经a）有关； 与 有关； p a一定， 越长，波导色散越严重（短 相反），与材料色散相反。 问题六：模间色散主要由什么决定？问题六：模间色散主要由什么决定？ 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 4-4 矩形介质波导基

4、本概念 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 4-5 光纤中的射线分析（上、下） 4-8 光波导装置与应用 波导制造方法及改性 干涉滤波器 1 3 2 光开关和调制器 20世纪60年代早期光波导现象，理论发展，装置问世。 但：有些装置未经受t考验，性能差淘汰； 有些局限，或仅应用潜在可能。 部分光波导装置应用成功。 领先掺钛铌酸锂（Ti:LiNbO3），适合波导，特大电光和声光系数。 商品化大块基片出售，易加工。 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矩形介质波导基本概

5、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光波导装置光波导装置与应用与应用一、波导的制造一、波导的制造 二、开关和调制器 三、干涉滤波器 p 介绍波导 （1）制造工艺、 （2）装置结构、 （3）主要性能、 （4）应 用。 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光波导装置光波导装置与应用与应用一、波导的制造一、波导的制造 二、开关和调制器 三、干涉滤波器 波导范围广， 制造技术各不同。 平板波导（一方向不受限）和通

6、道波导（四周包围物，矩形，光纤）集成光学与甚大规模集成（VLSI）微电子学类似； 目标： p同基片制大量小型互联装置，及LED发光二极管、LD半导体激光器和探测器； 基片正确定向，抛光和表面净化，波导材料薄层附加到基片表面。 非晶材料， 直接沉积任何基片上； 结晶层无应力外延生长技术附加到结晶基质上。p 两技术都派生不同方法，各具优点。p 基质表面性质通过扩散 或注入不同类物质变。 p 不需部分刻蚀法去除，基片表面发生，表面部分区形成一定图案，光刻技术。 p 光刻：材料沉积， 材料去除。 1. 平板波导加工平板波导加工 2. 基片的制备 3. 波导膜的沉积与生长 4-1光在介质分界面上反射与折

7、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光波导装置光波导装置与应用与应用4. 材料的改性 5. 刻 蚀 6. 金属板印刷 多光电子装置基元 m级，加工超净间进行。 滤除灰尘颗粒空气，否光刻波导条纹现裂痕； 恒T和湿度，可重复； 净室人员穿特制衣服，设计使带进房间污染最小。 上措施合格率可靠性使用寿命（联系）。 一、波导的制造一、波导的制造 二、开关和调制器 三、干涉滤波器 Si 基铁电光波导示意图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

8、导电磁理论 4-4矩形介质波导基本概念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光波导装置光波导装置与应用与应用1. 平板波导加工 2. 基片的制备基片的制备 3. 波导膜的沉积与生长 4. 材料的改性 5. 刻 蚀 6. 金属板印刷 一、波导的制造一、波导的制造 二、开关和调制器 三、干涉滤波器 基片非晶，玻璃；晶片，机械电子性能好。 电光装置：基片绝缘结晶LiNbO3； 光发射装置：InP或GaAS制备。 厚0.5mm，横向几cm， 结晶基片原料钢玉，大块晶体。 结晶：气液或非结晶固态相变。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

9、-3平板波导电磁理论 4-4矩形介质波导基本概念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光波导装置光波导装置与应用与应用1. 平板波导加工 2. 基片的制备基片的制备 3. 波导膜的沉积与生长 4. 材料的改性 5. 刻 蚀 6. 金属板印刷 一、波导的制造一、波导的制造 二、开关和调制器 三、干涉滤波器 Si 基铁电光波导示意图 液体是所需材料化合物高纯熔融物， 固体小块籽晶。液体分子逐层附着表面，每层与前层正确相对位置。 如：Si片单晶炉提拉生长。数十kg电子学级Si入熔炉，射频诱导加热器或电阻加热线圈将其熔化。熔炉与熔化Si不反应，以免掺杂质。 Si石Tm

10、 1412，不纯物析出。熔炉石墨底座 机械强度。 熔融在惰性气体Ar或真空进行。Si 基铁电光波导示意图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光波导装置光波导装置与应用与应用1. 平板波导加工 2. 基片的制备基片的制备 3. 波导膜的沉积与生长 4. 材料的改性 5. 刻 蚀 6. 金属板印刷 一、波导的制造一、波导的制造 二、开关和调制器 三、干涉滤波器 GaAs（Tm 1238）类基片技术生长。 区别：GaAs加热分解，熔融物上方As蒸汽

11、压须控制。 BN坩埚，磁场熔融，“磁滞磁滞”抑制热能对流， 优点： 生长晶体位错数。 长晶体，XRD晶轴定向，切片，刻蚀10 m，去除切割和成形晶格缺陷。 表面抛光，得优于2 m平面度。 沉沉 积积 外延生长 基片准备好，制备波导膜。 方法： p 沉积和外延生长。 沉积基片表面1 m厚电介质或金属膜： 真空蒸发：真空蒸发：基片和镀膜材料置真空罩，后者加热Tm，热能使孤立原子逃离熔融物飞往基片，附着表层。 类非真空镀膜：类非真空镀膜：真空镀膜不同射频溅镀法，镀膜室充N，Ar. 基片基片 靶靶 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

12、质波导基本概念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光波导装置光波导装置与应用与应用1. 平板波导加工 2. 基片的制备 3. 波导膜的沉积与生长波导膜的沉积与生长 4. 材料的改性 5. 刻 蚀 6. 金属板印刷 一、波导的制造一、波导的制造 二、开关和调制器 三、干涉滤波器 基片在镀膜材料附近，镀膜室充P 10-3-10-2乇Ar2； 镀膜材料阴极（靶）； 基片阳极（图7-2）。 p 交流射频E（13.56MH）作用，Ar进入等离子态（离子与自由电子混合）。 p 带正电荷Ar离子先轰击阴极靶使 其发射镀膜原子溅射，入射快速 离子与静态原子间动量交换过程。

13、p 发射方向随机，大量原子 飞向基片附着表面。 p 溅镀适合金属靶。 p 速率依赖靶性质，波导层较厚， 长沉积t.阳极阳极 阴极阴极 基片基片 靶靶 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光波导装置光波导装置与应用与应用 沉沉 积积 外延生长 1. 平板波导加工 2. 基片的制备 3. 波导膜的沉积与生长波导膜的沉积与生长 4. 材料的改性 5. 刻 蚀 6. 金属板印刷 一、波导的制造一、波导的制造 二、开关和调制器 三、干涉滤波器 A、化学

14、汽化沉积（CVD）非真空镀膜： p熔炉，一大气压热气体混合物从基片上方流过，化学反应，生成需化合物，渐沉积在基片表面； p基片按不同方位放置，取决气流方向/还是 竖直，与加热方式有关。 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光波导装置光波导装置与应用与应用 沉沉 积积 外延生长 1. 平板波导加工 2. 基片的制备 3. 波导膜的沉积与生长波导膜的沉积与生长 4. 材料的改性 5. 刻 蚀 6. 金属板印刷 一、波导的制造一、波导的制造 二、开

15、关和调制器 三、干涉滤波器 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光波导装置光波导装置与应用与应用 沉沉 积积 外延生长 1. 平板波导加工 2. 基片的制备 3. 波导膜的沉积与生长波导膜的沉积与生长 4. 材料的改性 5. 刻 蚀 6. 金属板印刷 一、波导的制造一、波导的制造 二、开关和调制器 三、干涉滤波器 图1 双梯度法制备ZnCdSSe nm线实验装置图2 ZnxCd1-xSySe1-y nm线各元素占百分比与处基底位置关系靠近放置

16、相应反应物石英管侧呈较高比例，印证反应物浓度梯度对ZnCdSSe组分影响基于气基于气液液固（固（VLS）机）机制半导体合金制半导体合金nm线化学气相线化学气相沉积（沉积（CVD）双梯度法理论）双梯度法理论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光波导装置光波导装置与应用与应用 沉沉 积积 外延生长 1. 平板波导加工 2. 基片的制备 3. 波导膜的沉积与生长波导膜的沉积与生长 4. 材料的改性 5. 刻 蚀 6. 金属板印刷 一、波导的制造一、

17、波导的制造 二、开关和调制器 三、干涉滤波器 图3 x, y含量与处基底位置关系，插图x, y实验数据 图4 与位置相关ZnxCd1-xSySe1-y nm线禁带宽度与发射峰 理论预期值（黑方块）与实验数据（红三角形）对比；禁带宽度对比；(a) 发射峰 对比。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光波导装置光波导装置与应用与应用 沉沉 积积 外延生长 1. 平板波导加工 2. 基片的制备 3. 波导膜的沉积与生长波导膜的沉积与生长 4. 材料的

18、改性 5. 刻 蚀 6. 金属板印刷 一、波导的制造一、波导的制造 二、开关和调制器 三、干涉滤波器 图5 不同内置石英管位置，合金nm线组分x, y与所处基底位置关系(a) z1=0, z2=20(b) z1=5, z2=15 (c) z1=10, z2=104-1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光波导装置光波导装置与应用与应用 沉沉 积积 外延生长 1. 平板波导加工 2. 基片的制备 3. 波导膜的沉积与生长波导膜的沉积与生长 4. 材料

19、的改性 5. 刻 蚀 6. 金属板印刷 一、波导的制造一、波导的制造 二、开关和调制器 三、干涉滤波器 图6 不同反应物浓度梯度下，ZnCdSSe nm线禁带宽度图7 不同反应物浓度梯度及生长T梯度，汽相过饱和度对应基底不同位置关系装载反应物石英管互靠拢（z1=5mm，z2=15mm），z向过饱和度呈较大波动，基底不同位置nm线不同生长机制随载有反应物石英管靠拢，生长产物能带间隙跨度呈逐渐缩小趋势。 非晶膜非晶膜沉积随机，无固定晶态结构。 -V半导体光电装置要求膜层分子有序排列，外延法生长。 外延生长思想： p基片有序生长模板，膜与基片参数匹配； p生长材料与基片相同化学成分同质外延； p两种

20、材料不同化学成分异质外延。 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光波导装置光波导装置与应用与应用 沉 积 外延生长外延生长 1. 平板波导加工 2. 基片的制备 3. 波导膜的沉积与生长波导膜的沉积与生长 4. 材料的改性 5. 刻 蚀 6. 金属板印刷 一、波导的制造一、波导的制造 二、开关和调制器 三、干涉滤波器 外延生长可基于蒸汽蒸汽或液体液体。 后者可基片Tm实现。 5%As+95%Ga混合88（GaAsTm1238）熔融， 一个As

21、与一个Ga结合，生成GaAs，基片表面外延生长。 Ga/As熔融过程变，开始比值高。GaAs基片持续生长GaAs模， 工作TGaAsTm，不伴随基片熔化。 基于液态外延生长术液相外延（LPE），有缺点，性能更好气相外延（VPE）取代。 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光波导装置光波导装置与应用与应用p 外延生长条件： 吸附原子表面扩散速率； 基体与薄膜结晶相容性； 基体表面状态。 沉 积 外延生长外延生长 1. 平板波导加工 2. 基片的

22、制备 3. 波导膜的沉积与生长波导膜的沉积与生长 4. 材料的改性 5. 刻 蚀 6. 金属板印刷 一、波导的制造一、波导的制造 二、开关和调制器 三、干涉滤波器 B、分子束外延（MBE）超高真空汽化低温过程 过程：加热几个装生长材料成分熔炉（电子束加热），汽化，发射原子飞行过程结合形成新分子束，被基片表面吸收。 控制不同材料蒸汽速率，膜生长慢（0.01-0.03m/h）； 优点：低温，膜与基片间不扩散， 适用生长应变多量子阱（MQW）；）； MBE（分子束外延）起源MQW。 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矩形介质波导基本概念

23、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光波导装置光波导装置与应用与应用 沉 积 外延生长外延生长 1. 平板波导加工 2. 基片的制备 3. 波导膜的沉积与生长波导膜的沉积与生长 4. 材料的改性 5. 刻 蚀 6. 金属板印刷 一、波导的制造一、波导的制造 二、开关和调制器 三、干涉滤波器 量子阱：2种不同半导体相间排列成，明显量子限制效应电子或空穴势阱。 特征：p 量子阱宽度限制（足够小形成），载流子波函数一维向局域化。 p 三明治结构，中间薄层半导体膜，外侧两隔离层。 应变多量子阱应变多量子阱TEM（透射电镜）截面图（透射电镜）截面图 4-1光在介质分界

24、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光波导装置光波导装置与应用与应用 沉 积 外延生长外延生长 1. 平板波导加工 2. 基片的制备 3. 波导膜的沉积与生长波导膜的沉积与生长 4. 材料的改性 5. 刻 蚀 6. 金属板印刷 一、波导的制造一、波导的制造 二、开关和调制器 三、干涉滤波器 InAsP MQW PL强度与阱数关系 量量子子阱阱使使量量子子点点有有效效发发光光 nm晶体表面涂层有机分子，阻碍外来电子刺激量子点发光。 美国洛斯阿拉莫斯国家实验室将C

25、dSe量子点量子点放在“量子阱量子阱”上，量子阱为媒介间接刺激量子点发光。发光二极管效率效率 一倍。一倍。 200710 Nature 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光波导装置光波导装置与应用与应用 沉 积 外延生长外延生长 1. 平板波导加工 2. 基片的制备 3. 波导膜的沉积与生长波导膜的沉积与生长 4. 材料的改性 5. 刻 蚀 6. 金属板印刷 一、波导的制造一、波导的制造 二、开关和调制器 三、干涉滤波器 InAsP/InP

26、/InGaP/InP/GaInAsP应变补偿应变补偿MQW（应变多量子阱）激光器（应变多量子阱）激光器 应变多量子阱应变多量子阱 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光波导装置光波导装置与应用与应用 沉 积 外延生长外延生长 1. 平板波导加工 2. 基片的制备 3. 波导膜的沉积与生长波导膜的沉积与生长 4. 材料的改性 5. 刻 蚀 6. 金属板印刷 一、波导的制造一、波导的制造 二、开关和调制器 三、干涉滤波器 p 有些位置空出，杂质原

27、子乘虚入，占据补空式（a）； p 无空位，杂质原子通过晶格间隙扩散进基片填隙式（b）； p 两种都向基片内扩散向内扩散。 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光波导装置光波导装置与应用与应用 表面改性用于制波导，简单法扩散。 基片与掺杂材料直接接触，后者固，液或气体。 二者加热800-1000，热能 ，掺杂物和基片原子比室温活泼。 基片原子受晶格限制，平衡位置附近振动。 1. 平板波导加工 2. 基片的制备 3. 波导膜的沉积与生长 4. 材

28、料的改性材料的改性 5. 刻 蚀 6. 金属板印刷 一、波导的制造一、波导的制造 二、开关和调制器 三、干涉滤波器 扩扩 散散 离子交换与质子交换 离子注入 基片原子沿与杂质原子反方向扩散向外扩散向外扩散。 向内扩散用于制波导装置制波导装置； 如LiNbO3基片放层金属Ti，扩散形成Ti:LiNbO3波导。 向内扩散向内扩散 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光波导装置光波导装置与应用与应用1. 平板波导加工 2. 基片的制备 3. 波导膜

29、的沉积与生长 4. 材料的改性材料的改性 5. 刻 蚀 6. 金属板印刷 一、波导的制造一、波导的制造 二、开关和调制器 三、干涉滤波器 扩扩 散散 离子交换与质子交换 离子注入 交换过程：基片和某种材料熔融物。 p某种活泼离子在基片中浓度比熔融物中高；p另种活泼离子在熔融物中浓度比基片中高。 基片浸入熔融物，低T（200-400），两种离子相对扩散，基片和熔融物成分交换。 二者极化率差引起n变，用于制造波导。 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

30、4-8光波导装置光波导装置与应用与应用1. 平板波导加工 2. 基片的制备 3. 波导膜的沉积与生长 4. 材料的改性材料的改性 5. 刻 蚀 6. 金属板印刷 一、波导的制造一、波导的制造 二、开关和调制器 三、干涉滤波器 扩 散 离子交换与质子交换离子交换与质子交换 离子注入 掩模对离子起挡板作用， 离子通过开槽运动，开槽区：p Na+脱离基片向熔液扩散；p Ag+向基片扩散，取代Na+位置。轻Na+被重Ag+取代基片窄条n ，形成条纹通道波导。 外加E强化Ag+向基片扩散，缩短t，得较深均匀扩散。向基片向基片扩散扩散 脱离基片向脱离基片向熔液扩散熔液扩散 u 图基于离子交换用钠钙玻璃（S

31、iO2，Na2O和其他金属氧化物混合物）制通道波导原理。 u 玻璃基片涂掩模，上开窄条形槽，浸入AgNO3熔融物。 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光波导装置光波导装置与应用与应用1. 平板波导加工 2. 基片的制备 3. 波导膜的沉积与生长 4. 材料的改性材料的改性 5. 刻 蚀 6. 金属板印刷 一、波导的制造一、波导的制造 二、开关和调制器 三、干涉滤波器 扩 散 离子交换与质子交换离子交换与质子交换 离子注入 离子注入用于半导体

32、掺杂。原理： p离子进基片，不同方式高真空进行，装置复杂昂贵。 离子源熔融炉，静电法抽取离子束，含不同离子， 注入元素单电荷离子，有双电荷双电荷和杂质离子杂质离子。 对电荷或原子重量敏感滤波器（质量或维恩Wien过滤器）， 选种离子，选出离子束被高压（100-1000kV）加速，离子高速打击基片，进入。 p 进入基片离子与基片原子不断碰撞损失能量。 p 最终某深度停，实现离子注入。 p 基片原子碰撞错位，注入结束对基片退火。 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

33、光纤损耗与色散4-8光波导装置光波导装置与应用与应用1. 平板波导加工 2. 基片的制备 3. 波导膜的沉积与生长 4. 材料的改性材料的改性 5. 刻 蚀 6. 金属板印刷 一、波导的制造一、波导的制造 二、开关和调制器 三、干涉滤波器 扩 散 离子交换与质子交换 离子注入离子注入 膜层制好，成形，去除不需材料刻蚀刻蚀。 去除或刻蚀，依据纯物理纯物理或化学化学过程，可结合。 根据：p是否要求真空和 p有无用掩模分类。 早期化学湿刻蚀； 现代微加工含真空刻蚀； 后者刻蚀。 设备复杂，改进控制水平，有高度可选择性和定向性优点，广泛用。 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

34、析方法 4-3平板波导电磁理论 4-4矩形介质波导基本概念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光波导装置光波导装置与应用与应用1. 平板波导加工 2. 基片的制备 3. 波导膜的沉积与生长 4. 材料的改性 5. 刻刻 蚀蚀 6. 金属板印刷 一、波导的制造一、波导的制造 二、开关和调制器 三、干涉滤波器 干刻蚀：纯物理，物理/化学结合法。 物理法（1）溅射法： p被刻蚀材料原子受离子轰击从表面发射。 p过程射频溅射刻蚀，射频溅射沉积变型，电极连接与沉积过程相反，基片不是靶被轰击，离子打击基片有角度，刻蚀有方向性。 物理法（2）离子束刻蚀：p直流溅射镀膜变型

35、。 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光波导装置光波导装置与应用与应用1. 平板波导加工 2. 基片的制备 3. 波导膜的沉积与生长 4. 材料的改性 5. 刻刻 蚀蚀 6. 金属板印刷 一、波导的制造一、波导的制造 二、开关和调制器 三、干涉滤波器 刻蚀需定位。 希望对基片小面积刻蚀，基片沉积层掩模，需要刻蚀基片位置对掩模开槽。 对掩模材料性质要求有比基片低得多溅射速率，比基片被刻蚀更慢。 纯物理法对不同材料刻蚀速度差别小，掩模与基片以相

36、同速率被刻蚀，刻蚀深度受限。 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光波导装置光波导装置与应用与应用1. 平板波导加工 2. 基片的制备 3. 波导膜的沉积与生长 4. 材料的改性 5. 刻刻 蚀蚀 6. 金属板印刷 一、波导的制造一、波导的制造 二、开关和调制器 三、干涉滤波器 向基片向基片扩散扩散 脱离基片向脱离基片向熔液扩散熔液扩散 解决刻蚀深度受掩模限制措施： p用无掩模选择性刻蚀聚焦离子束（FIB）微加工技术，将离子束控制在小范围局部

37、溅射。 为将基片上对离子曝光区限制在一小点，溅射高度定位，计算机控制，基片上刻要求图案。 不存在掩模问题，允许刻蚀深度达数十 m，光电子学领域应用。 缺点： 串行过程，生产效率受限； 溅射材料在表面其他处重沉积。 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光波导装置光波导装置与应用与应用1. 平板波导加工 2. 基片的制备 3. 波导膜的沉积与生长 4. 材料的改性 5. 刻刻 蚀蚀 6. 金属板印刷 一、波导的制造一、波导的制造 二、开关和调制器

38、 三、干涉滤波器 向基片向基片扩散扩散 脱离基片向脱离基片向熔液扩散熔液扩散 FIB缺点由活性离子刻蚀（RIE）克服。 物理和化学结合，类溅射技术，惰性气体被活性分子气体取代。 气体分解产物（离子）与基片反应在低温形成易挥发化合物。 并行过程，借助掩模大面积快速刻蚀；选择掩模材料和工作气体，允许深层刻蚀；气流有方向性，刻蚀高度定向； 生成物从基片表面抽走，避免重新沉积。 理想刻蚀法。无掩模选择性刻蚀聚焦离子束（FIB）缺点： 串行过程，生产效率受限； 溅射材料在表面其他地方重新沉积。 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

39、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光波导装置光波导装置与应用与应用1. 平板波导加工 2. 基片的制备 3. 波导膜的沉积与生长 4. 材料的改性 5. 刻刻 蚀蚀 6. 金属板印刷 一、波导的制造一、波导的制造 二、开关和调制器 三、干涉滤波器 AlTi 制造Ti:LiNbO3方向耦合波导掩模板平面图。 一层Ti金属图案， 确定扩散区（无阴影）； 另层A1金属图案， 确定电极轮廓（阴影）； p 对每层分别作块模板，高精度将二者套准； p 光学法将模版上图案转换到基片； u 原理：用光敏有机材料或感光树脂特性。 4-1光在介质分界面上反射与折射4-

40、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光波导装置光波导装置与应用与应用1. 平板波导加工 2. 基片的制备 3. 波导膜的沉积与生长 4. 材料的改性 5. 刻 蚀 6. 金属板印刷金属板印刷 一、波导的制造一、波导的制造 二、开关和调制器 三、干涉滤波器 u 工艺： p 制备一块掩模板一片玻璃， 覆Cr金属暗板；p 印刷方式将此主板拷贝到基片上。 图转换过程，基片镀带感光性树脂成图形膜，高倍显微镜将掩模板与基片对准紧固一起; 紫外光UV对树脂曝光； 基片显影，膜上得树脂图案；

41、不希望膜光刻； 去除剩余树脂，得波导装置。 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光波导装置光波导装置与应用与应用1. 平板波导加工 2. 基片的制备 3. 波导膜的沉积与生长 4. 材料的改性 5. 刻 蚀 6. 金属板印刷金属板印刷 一、波导的制造一、波导的制造 二、开关和调制器 三、干涉滤波器 结构简单、使用广泛波导装置开关和调制器。应用： p光波网络伺服，保护装置及旁通开关，信号处理中可编程延时线； p用于t分割多路通信系统高速开关，允

42、许几个低比特率通道共享同一单模光纤宽频带； p信号编码外调制器，光学开关有两个或以上可供选用输出端； p对称系统，有相应数量输入端。 p 开关参数： 开关驱动电压； 开启与导通态间串扰； 光学插入损耗。 p 对t分割多路传输及信号编码，开关速度重要。 p 方向耦合器： 平衡桥干涉仪； 交叉波导开关； 它们变型。 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光波导装置光波导装置与应用与应用一、波导的制造 二、开关和调制器二、开关和调制器 三、干涉滤波器

43、 不同形式耦合器各种功能： p 滤波； p 偏振偏振选择。 可调衰减器可调衰减器 波导型定向耦合器波导型定向耦合器 1. 方向耦合器方向耦合器 2. 滤波器和偏振选择装置 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光波导装置光波导装置与应用与应用一、波导的制造 二、开关和调制器二、开关和调制器 三、干涉滤波器 硅绝缘体（SOI）电光调制器结构 集成光波导耦合器 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

44、论 4-4矩形介质波导基本概念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光波导装置光波导装置与应用与应用1. 方向耦合器方向耦合器 2. 滤波器和偏振选择装置 一、波导的制造 二、开关和调制器二、开关和调制器 三、干涉滤波器 LiNbO3光调制器是Mach-Zehnder（马赫马赫曾德尔）曾德尔）干涉仪（MZI）行波电极强度光调制器。 LiNbO3光波导调制器光波导调制器 MZI行波电极行波电极LiNbO3电光调制器电光调制器 偏置电极偏置电极 LiNbO3基 Mach-Zehnder波导波导 薄膜耦合器薄膜耦合器 行波电极行波电极 输入光纤输入光纤 输出光纤输出

45、光纤 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光波导装置光波导装置与应用与应用1. 方向耦合器方向耦合器 2. 滤波器和偏振选择装置 一、波导的制造 二、开关和调制器二、开关和调制器 三、干涉滤波器 方向耦合器由一对相距近相同条状波导组成。 两波导消逝波重叠，从一波导输入光通过耦合进入第二个波导。 单位长度耦合系数依赖：波导参数、导波 及两波导间隙。 特性由两波导传播常数差 及耦合长度L表示： pN1和N2两波导有效n. 定义： )(2212nnnnk 集成光波导耦合器 0/kN2121NNnn)(212NN 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