光电子物理基础 第六章 集成光学

1、第六章 集成光学2021/9/1216.1 集成光学的光传播理论1.消逝场：介质波导中，场要穿入光约束层内一定深度2.光波导结构 n2n3n1界面全反射，锯齿波z向传播,分解为两个分量,相位常数分别为、, k02 n2 =2+22021/9/1223.相位突变界面全反射时，反射波要产生相位突变对TE波对TM波其中p、q为消逝系数2021/9/123反射波发生相位突变的物理意义全反射时，光穿入约束层内一定厚度，导致反射波与入射波相位的不连续古斯-汉兴位移：反射光横向移动了距离光线穿入介质层1中的厚度穿入介质层3中的深度为1/p, 波导的有效厚度2021/9/1243.相位常数的波横向传播，形成驻

2、波，建立横向共振条件即m是导波的模阶数，不同的m，对应一系列的。该方程称为模式方程（特征方程、本征值方程）4.对称波导，非对称波导，强非对称波导2021/9/1255. 波导中光波的传播，对于TE波，解波动方程解的形式Y方向，波不受约束，场与 y无关得到方程组区域1区域2区域3边界条件：(x)和 在1-2，2-3界面处连续 2021/9/126讨论1. k0n2，三个区域内， (x)为指数函数，没意义。2. k0n2(k0n3,k0n1),区域1，3内(x) 为指数函数，2内为正弦函数。能量被限制在层2内，称为束缚模或导模。3. k0n3k0n1，区域1内(x)为指数函数，2，3内为正弦函数。

3、称为衬底辐射模。4. (k0n3, k0n2 , k0n1) ,三个区域内， (x)为正弦函数，称为波导辐射模。结论：导模存在的条件：k0n2(k0n3,k0n1)2021/9/127利用边界条件解得其中区域1，3中场是指数衰减的，衰减的快慢分别由q、p决定， q、p值越大，衰减越快，穿透深度越小。同时得到这与（6.1.1）模式方程是一致的。2021/9/1286.截止条件对于厚2w的对称波导波导层2中，随着的增加， 值减小，直到=k0n3 ，界面2-3不再产生全反射，此时就是导波截止条件。 厚度2w的对称波导传导m阶导模的必要条件：2021/9/129 2021/9/1210由波导中场分布图

4、比较可知(图6-4，6-5）：厚度2w的对称波导 m=2M+1阶导模场分布沿x中心分一半，与厚度w的非对称波导M阶导模场分布近似相同 厚度w的非对称波导中传播M阶导模的截止条件与厚度2w的对称波导中传播 m=2M+1阶导模的截止条件相同 厚度w的非对称波导中传播M阶导模的截止条件*n; nw; nM2021/9/12116.2 薄膜器件原理6.2.2 薄膜激光器薄膜激光器要求：效率高，功耗低；性能；激励简单；容易耦合。激励方式：电激励，光激励受激发射时的活性物质：染料、固体：Nd3+离子、半导体：GaAs GaxAl1-xAs光反馈：解理面、分布反馈、周期结构2021/9/12121.半导体激

5、光器的基础知识半导体的能带结构（a)费米-狄拉克统计分布：热平衡下，一个电子占据一个能量为E的能级的几率：半导体加正向电压时的能带结构(b)势垒降低，导电性增加2021/9/1213半导体激光器中，要求高掺杂，费米能级进入价(导)带内部。加正向电压时，势垒降低为e(Vd-V)费米能级分离eV=EFn-EFp当EFn-EFpEg,即导带能级为电子占据的几率大于价带能级为电子占据的几率。粒子数反转条件。导带中的电子向下跃迁到价带，与价带中的空穴复合产生受激辐射。2021/9/1214半导体激光器的解理面反馈同质结；异质结；双异质结2.双异质结半导体激光器3.生长台面型激光器图6-8中6:p-GaA

6、s5:p-AlxGa1-xAs4:p-GaAs3:n- AlxGa1-xAs2:外部波导1:光约束层2021/9/12154.分布反馈技术布拉格反射分布反射光栅中得到光栅周期一定时，只有该式确定的特定波长的光才能受到强烈的反射m=1，一级光栅m=3，三级光栅*解理面反馈激光器中，发射光谱多个峰值分布反馈激光器中，一个峰，可选纵模 2021/9/12161)集成DFB(分布反馈)激光器a.P型杂质扩散或注入n- Ga1-xAlxAs的局部区域内，形成层p- Ga1-xAlxAs ，从而构成p-n结b.正向大电流注入有源区光放大，再经过分布反馈结构光反射(100%) 产生激光直接耦合入n- Ga1

7、-yAlyAs波导层中传播。有晶格缺陷，形成复合中心，增加损耗2021/9/12172)集成DBR(分布布拉格反射式)激光器光栅不在反转区，而是做在有源区外面的波导层上。光栅被分成两部分，分别处于有源区两端。2021/9/12186.2.3 薄膜耦合器内耦合：波导波导外耦合：输入输出波导要求：耦合效率；集成化1.内耦合类型及其应用a.尖劈薄膜耦合器结构原理：导波沿锯齿路径到尖劈区域，每一次反射的入射角比上一次减小，若干次后，入射角小于全反射角，形成基底模（衬底辐射膜）从衬底输出。2021/9/1219b.波导定向耦合器平行放置，间隙小，消逝场耦和2.外耦合类型及其机制a.直接耦合：利用一透镜将

8、激光束聚焦，直接照射到波导的端部。效率低：薄膜薄，端面不平2021/9/1220b.棱镜耦合器提高了耦合效率：耦合方式连续耦合结构：n3n1n4n2原理：当33c时，入射棱镜激光束A3与棱镜底部反射光B3合成驻波场扩散到空气隙，按exp-(k0n3sin3)x衰减继续扩散到薄膜中形成导膜(消逝场)2021/9/122133c和33c时棱镜与薄膜波导间才能有效耦合若薄膜中某一波矢量A1满足k0n1sin1 = k0n3sin3(3改变激发起其他的TE、TM膜)，穿入到空气隙与棱镜的消逝场相互耦合，由波动方程时时时饱和2021/9/1222增加a点的耦合，减小b点的耦合，可提高耦合效率劈隙耦合：8

9、1% 88%，甚至90%c.光栅耦合在薄膜上做周期光栅2021/9/1223原理：由包层或衬底照射到光栅的激光束产生衍射激光束，若某一级衍射光束的衍射角和导模的模角i相等，则在薄膜中激励起导模。由光栅方程衍射光沿向位相变化即位相匹配条件提高耦合效率：减小光栅损耗；选择光栅结构参数缺点：效率低；频带窄2021/9/12246.2.4 薄膜调制器利用电光、声光、磁光效应，实现光波的调制、偏转和开关优点：a.导波介质就是调制介质 b.有一定的模式限制，易于实现模的转换、截止和开关 c.厚度薄，外加电压小，调制效率高2021/9/12251.波导型电光调制器结构：衬底： Ga1-xAlxAs 高电导波导： Ga1-yAlyAs yx电极上加反向偏压原理：波导电光调制器中波导与衬底间总的折射率差nt由三部分组成：波导与衬底材料的化学组分不同引起nch波导电光效应nEO波导与衬底自由载流子浓度差引起nCCR2021/9/1226厚度w的非对称波导中传输零阶导模必须满足条件1)若选择未加调制电压部分导通状态加调制电压 导通状态电光强度调制2)若选择未加调制电压关闭状态加调制电压 导通状