光波导理论与技术

1、光波导集成光学：1）按集成的方式划分：个数集成和功能集成;2）按集成的类型划分: 光子集成回路（PIC）和光电子集成回路（OEIC）； 3）按集成的技术途径划分： 单片集成和混合集成；按研究内容划分：导波光学和集成光路。纤维光学（圆波导）和集成光学（平板波导、条形波导）是导波光学的两大分 支。传播常数。和有效折射率N=p/k0=n1sinO是研究平板波导的重要参数。平板波导的两种基本模式：TE模：E，H，H； TM模：H，E，E。对称平板光波导中，基模无论如何都不截止；非对称的基模可能截止。对于非对称波导，随着波长的增大，波导层厚度的减小，同阶数的TM模先截 止；对于对称波导，同阶数的TE和T

2、M模一起截止。7、一个平板光波导的波导层、衬底层和覆盖层折射率分别为n、n和n3，若在波长人下 保持单模传输，波导层的厚度d应在什么范围内选取?答案：单模传输的前提条件是非对称波导。截止厚度计算式4所以dTEQ =cdTM Q =cmn + arctandTE =-cmn + arctandTM =-c人 arctann2 一 n2 12 y kdTEi =carctan人 arctanaTM( jn2 n寸 n1n2 2n 顼2 nn2 一 n2 a= 23-TE n 一 n124 n2-n2 n 一 n 12+冗单模传输条件4dTE0 V d V dTEd V dTMQc因为 dTEo v

3、 dTM0 并且dTM0 V dTEi cccc所以波导层厚度的取值范围为dTE0 Vd VdTM0 cc人 arctan I i J 2H)n 一籍8、一个平板光波导的波导层、衬底层和覆盖层折射率分别为气、七和七，波导层的厚度 为d，若只让TEo模传输，波长长应在什么范围内选取?答案：单模传输的前提条件是非对称波导。截止厚度计算式人TE =c2冗d弋n：-m 冗 + arctan aTE,：丸 dn ： n：人 TM =1 (当cmn + arctan aaTMn： n： a =3-TEn： 一 n124 n2 - n： T3 n： 一 n： i ：TM，单模传输条件s人TE1 V人V人TE

4、0人 人TM 0c因为 %tmo v %teo 并且 Xtei v Mm所以波导层厚度的取值范围为人TM0 V人V人TE0CC：nd n： - n：v 人 V：n d*n： 一 n：arctan约I n3 )n ： 一 n：3n ： 一 n ：i：-arctan，匚-An ： 一 n：J3V n ： 一 n：i ： /a 2ETE模和TM模的波动方程（亥姆霍兹方程）分别为：二L +q = 4nX 23 0a 2 hy + dx 2=0y10.TE模的模式本征方程:tang）=h 11 - h：)n：k： - B ： 1 0B ： 一 n ： k ：0；TM模的模式tan程n： h+n： h=：

5、3 1 -性 pnt qn ： h n ： h两种分析矩形波导的方法：1）马卡梯里近似解法；2）有效折射率法。Ey12和尸22典型的电场分布如下：H I号b1 1 E I | | 11d 2 Ed 2 E （）Emnx模波动方程：-q2X*奄T+牛2一。Ex = 0，其中P 2 = P 2 + P 2 - n2k 2对于y方向的板波导，马卡梯里近似解法和有效折射率法的方程以及参数 是完全相同的；对于x方向的平板波导，两种方法的方程相同，唯一的不同在于 波导区的折射率，马卡梯里近似解法的波导区折射率为S，而有效折射率法的波 导区折射率为n故=朝岛无论E x模还是e y模，有效折射率法计算得到的传

6、播常数近似值大于马卡 梯里近似解法的计算结果。用扩散、离子交换和离子注入（三种常用的掺杂方法）等技术能制作渐变折 射率平板光波导，因光线在其中沿“弧形曲线”前进故能避免因界面不规则引 起的散射损耗。阶跃非对称渐变折射率平板光波导的横向谐振条件：光线在相邻两个全反射 点（或拐点）之间的x向相位变化为2mn。（m=0,1,2对于强非对称.（气三3）渐变折射率平板光波j0 k湾（x）- P 2dx = m冗 + _ xi）导，常将模式本征方程写为（m = 0,1,2）集成光路有以下两种基本形式：混合集成光路和单片集成光路。集成光路目前存在的最大困难：电学器件和光学器件的兼容性。光波导的制备有两个基本

7、条件：波导层与周围介质有一定的折射率差，且波 导层折射率较大，以形成波导；波导层对所要传输的光透明，即损耗小。光波导的制作方法：薄膜沉积；物理气相沉积：溅射镀膜；化学气相沉积； 溶液沉积；替位式掺杂；降低载流子浓度形成波导；外延生长：液相外延法（LPE）、 气相外延法（VPE）、分子束外延（MBE）、金属有机化学气相沉积（MOCVD）。溅射法制作波导的原理：溅射镀膜是利用电场对辉光放电过程中产生出来的 带电离子进行加速，使其获得一定的动能后，轰击靶电极，将靶电极的原子溅射 出来，沉积到衬底形成薄膜。波导损耗的三种表示方式：功率衰减系数；分贝（dB）；奈培（Np）。dB cm分贝损耗系数adBc

8、madB cmacm与线性坐标&中炒系数&之间的关系3抑=4343a= dBm 2 dBm 1 z - zIn P (z ) - ln P (z )1- mW 2 1- mW 1 26.光波导的散射损耗有两种：体散射（次要的）和表面散射（主要的）。吸收损耗包括两种：带间吸收和带内吸收（也称自由载流子吸收）。减小带间吸收损耗的两种方法：将第三种元素加进二元化合物形成带宽较宽 的三元系化合物；采用一种发射波长比波导材料吸收边对应波长更长的激光器。LiNO3波导主要损耗：散射损耗；半导体波导主要损耗：吸收损耗；辐射损 耗主要在弯曲波导。功率损耗系数有简单的表达式：a =C1exp（-C2R）：曲率半

9、径R越小，弯曲辐射损耗越严重。质31.波导弯曲损耗可分为以下两种类型：光波在波导弯曲处部分地辐射到周围空 间中引起的辐射损耗；光波从直波导进入弯曲波导时因耦合而转换为其他导模所 引起的模式耦合损耗。弯曲波导功率损耗的主要原因：弯曲波导外侧波导光的相 速度大于内侧波导光的相速度，所以在大于弯曲波导半径部分的光波，在半径方 向上存在着辐射损耗；弯曲部分入口处的场分布不匹配，使入射光的部分功率辐 射进衬底造成功率损耗。光耦合器的基本性质是它的耦合效率和模式选择性。横向耦合的两种（聚焦：平行端接耦合。必（-）耦合波方程： 一J =k A （z）e顼吁62）z和 2=K A （z血-同去耦合长度：八气1

10、2 2玄 21 1c 2（K2 + A2 ，A=（P1-P2）/2求耦合长度的方法：方法一：分别求解两个波导的场分布，然后计算得到耦合系数，再根据耦合系数计算得到耦合长度。方法二：将定向耦合器作为一个波 导系统，求解其本征方程得到对称模和反对称模的传播常数。和。；再根据公 式L =n/（p -P ）计算得到耦合长度。S 阶数越大的模式，耦合系数越小。实现光波调制的两种方式：利用调制信号直接控制激光器的振荡参数，使输 出激光束的特性随信号而变，称为内调制；利用调制信号作用于激光器外部独立 的调制器，产生某种物理效应（如电光、磁光、声光、热光、非线性等效应）， 使通过调制器的激光束某一个参量随信号

11、而变，称为外调制。LiNbO3电光相位调制器的工作原理：当电极上施加调制电压时，波导折射率因电光效应发生改变，因而光导波通过电极区后其相位随调制电压而改变。为了 实现单模传输，对于基模，要高于截止点；而对于一阶模，要低于截止点。声光效应的本质：声波传播时，媒质的密度及应变发生正弦形的扰动，因而 折射率沿声波传播距离周期性地改变，成为一种相位光栅，使入射的光波在通过 相位光栅时发生衍射。Q = 2冗L，Q1时，为布拉格衍射。拉曼-奈斯侨射和布拉格衍射的区别：前者声波频率较低，声波束宽度（即声 光相互作用长度）较小，入射光线与超声波面垂直，产生对称分布的多级衍射条 纹，衍射效率低；后者超声波频率较

12、高，声光作用区较长，光线与超声波面有一 定角度斜入射时发生的，衍射光强分布不对称，而且只有零级和+1或-1级衍射 光，衍射效率高。布拉格衍射产生的条件：三条：不同-同一；同一-相邻；不同-相邻。声光调制的工作原理：声光调制是利用声光效应将信息加载于光频载波上的 一种物理过程。调制信号是以电信号（调辐）形式作用于电-声换能器上，电-声换 能器将相应的电信号转化为变化的超声场，当光波通过声光介质时，由于声光作 用，使光载波受到调制而成为“携带”信息的强度调制波。调制带宽是声光调制器的一个重要参量，它是衡量能否无畸变地传输信息的 一个技术指标。声光偏转器的结构与布拉格声光调制器基本相同，所不同之处在

13、于声光调制 器是改变衍射光的强度，而声光偏转器则是利用改变声波频率来改变衍射光的 方向，使之发生偏转。磁光效应主要包括：法拉第效应（线偏振光透过放置在磁场中的物质，沿磁 场方向传播时，光的偏振面发生旋转）；科顿-穆顿效应（当光的传播方向与磁场 垂直时，光矢量平行于磁场方向的线偏振光的相速不同于光矢量垂直于磁场方向 的线偏振光的相速而产生双折射现象）；磁致二向色性效应。三种典型的非互易磁光波导器件：隔离器：只允许光波单向传输；回转器： 使正向和反向传播的光波产生n的相位差；环行器：光波只能沿着光环路的一个 特定方向传播。光隔离器是一种只允许光沿一个方向通过而在相反方向阻挡光通过的光无源 器件，例

14、如：半导体激光器、光纤放大器。半导体激光器的工作原理:是向半导体PN结注入电流，实现粒子数反转分布， 产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光振荡的。产生粒子数反转的方法：注入载流子一半导体激光器；强光对激光物质进行 照射一固体激光器；气体电离一气体激光器。产生激光的必要条件：1）受激辐射占主导地位；2）粒子数反转分布；3）有 光学谐振腔。半导体激光器的效率随着温度的上升而下降，这是因为存在以下两个效应： 第一，吸收增加；第二，量子效率Sq）下降。产生后一种效应是因为当温度升 高时，热激发使电子和空穴的能量分布扩展到较宽范围，于是对于给定的任一注 入输入电流，具有适当能量间隔的

15、对受激辐射起作用的电子-空穴对就较少。同 样的这两个效应，将造成产生激光所需阈值电流密度的增大。显然，若输入电流 密度给定，由于这两个效应，输出功率也将随着温度的上升而下降。异质结激光器具有很好的性能，主要是由于光场限制和更有效的载流子注入 与复合这两者的联合效应。DFB激光器波长的稳定性较好，因为光栅能够锁定激光器输出给定的波长。PIN光电二极管的工作原理：中间的I层是N型掺杂浓度很低的本征半导体， 用n（N）表示；两侧是掺杂浓度很高的P型和N型半导体，用P+和N+表示。I 层很厚，吸收系数很小，入射光很容易进入材料内部被充分吸收而产生大量电 子-空穴对，因而大幅度提高了光电转换效率。两侧P+层和N+层很薄，吸收 入射光的比例很小，I层几乎占据整个耗尽层