集成光学考试总结讲解学习

1、集成光学考试总结精品文档第一章.集成光学的分类：?按集成的方式划分：个数集成和功能集成?按集成的类型划分：光子集成回路(PIC)和光电子集成回路(OEIC)?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.集成光学的定义(1)集成光学是在光电子学和微电子学基础上，采用集成方法研究和发展光学器件和混合光学-电子学器件系统的一门新的学科。(2)集成光学是研究介质薄膜中的光学现象，以及光学元器件集成化的一门学科。(3)集成光学是研究集成光路的特性和制造技术以及与微电子学相结合的学科。.集成光学的主要应用光纤通信，光子计算机，光纤传感.集成光学系统有什么优点？1)集成光学

2、系统与离散光学器件系统的比较(1)光波在光波导中传播，光波容易控制和保持其能量。(2)集成化带来的稳固定位。(3)器件尺寸和相互作用长度缩短；相关的电子器件的工作电压也较低。(4)功率密度高。沿波导传输的光被限制在狭小的局部空间，导致较高的功率密度，容易达到必要的器件工作阈值和利用非线性效应工作。(5)体积小，重量轻。集成光学器件一般集成在厘米尺度的衬底上，其体积小，重量轻。2)集成光路与集成电路的比较收集于网络，如有侵权请联系管理员删除精品文档把激光器、调制器、探测器等有源器件集成在同一衬底上，并用光波导、隔离器、耦合器和滤波 器等无源器件连接起来构成的光学系统称为集成光路，以实现光学系统的

3、薄膜化、微型化和集成 化。用集成光路代替集成电路的优点包括带宽增加，波分复用，多路开关。耦合损耗小，尺寸小，重 量轻，功耗小，成批制备经济性好，可靠性高等。由于光和物质的多种相互作用，还可以在集成 光路的构成中，利用诸如光电效应、电光效应、声光效应、磁光效应、热光效应等多种物理效 应，实现新型的器件功能。弟早.光波导的分类(a)平板波导(slab waveguide)(b)条形波导(strip waveguide)(c)圆柱波导(cylindrical waveguide).会利用射线光学方法分析平板波导的覆盖层辐射波、衬底层辐射波和传导波的形成条件。均为平板波导的波导层折射率小衬底折射率于覆

4、盖层折射率是都是常数口折射率网一之间满足以下关条：/ % /若破守属非对称型.相应存在两个临界有:一个是使光线在被管-利底骅面整2全内反叼的%,另一个是使光线在披导-墓艺层界面发生全内反射的耳一0双，必用,招地四层程射波、% 七说七%此 形成有底福身愉；叶,%,且54/人形成传导淡西导行波，H X 11鼻曲口福躯陈也，时痛惧射就收集于网络，如有侵权请联系管理员删除精品文档包层用工衬底打1,波矢的横向分量杷波矢分解为平行于波导的分鼠（相位常数为P）和垂直 于波导的分量（相位常数为h） 三者关系为：=岁 + /p - k ,n sin?h 上口 供 cos a就在波异中传抵的示意商就在波异中传抵的

5、示意商该在波导中能域传播的必要条件是.在同一等相位面匕所有 各点必须贴网相位的，即光线】上的A点和光线2上的C点及光 线2上的D点与光线1上的B点都处于同一等相位面上，它们分 别有相同的相位.因此,光线从A点传播期点的相位变化.与光线从C点传播到D点的相位变化之差,应是2 的整数倍n波导截止. TE、TM模的本征模方程（色散方程）是什么？ TE、TM模的截止波长（截止频率）波导截止厚度的表达式？为什么对称波导的基模不存在截止频率?2.横向共振（transverse resonance）平板波导中能彤成导模的条件为2出炉一2科二-2tJ =2wrE一模的阶筑工阶次）,取从本开始的清原”、正显效.

6、，3,本征模方程hw = FN7T + 上 + 甲称为产眼波号的模方程（模式本征值方程），或平板波导的色散方程，对于TE波,本征值方程为hn? - m不 + arctan N- arctan :式中/?=（行垢6尸#=（尸一戏诏尸国=（加一后M尸 对十TM波，本征值方程为Mr = tutt Mr = tutt + arctan/ 1 、H P 一W 工 +ajrian也h1 7/导模的传播常卯介于衬底和薄膜的波数之间，即鼠爪 鼠爪 P An斯-L,1 收集于网络，如有侵权请联系管理员删除定义波的有效模折射率:目 .A% = ff sm O%精品文档截止区：fl 衬底辐射条件： n2澄表层福射条

7、件：0 % 珥利用有效模折射率，可将平板波导的模式本征值方程改写为4导模戳止条件导模的临界截止状态应该是上界面仍为全反射，而卜界面处于 全反射的临界状态，即F界面即将进入竭射状态.故人射角为C12此时sing =勺/%，近口氏2=于是上.下界面的反射相位菊对TTE波分别为2 %=2arcto尿2 %=2arcto尿疝用一痔IL C OS 3.=Jarctaii而必上=0对于TM波则有用知一TE用知一TE波的色方程变为尤 J； - 尤 J； - n nttt 十 arc tan口加_ 0, L 2故某一模式的截止波长为同理，TM波的截止波长为同理，TM波的截止波长为当波长大于截止波长时，波不能在

8、波导中传播，即被截止U注苴,因为用A k故TM板的截止厚度”豆是大于TE模的裁J_厚度收集于网络，如有侵权请联系管理员删除对于任一形式的介质波导，均可以绘出色散特性曲线，在其 中传输的模式，并可以根据(V4)值很快得出哪些模式在传 播，哪些模式被裁止.精品文档对于基模，有对于非时称波导,其基模有其截止频率，低于这一般率导波 就被截止，不再有波在其中传橘;而频率高于基楼截止频率, 低于其他模式的截止频率时，波导是单模波导，即在波导中 只传播基模,当频率超过其他波量的截止频率时，波导则为 多模波导，其中传输着几种波型n对于对称波导，基模的色散方程变为丫冷:一 4=0即（儿）2=8说明对称基模不存在

9、截IL频率,任何频率光波均可在对称 波导中传播.当波导尺寸比较大，或者入射光波频率较高，则发生.多 模传输，波导传输模的数量，由色敌方程求得.对于对称波导，色散方程变为波导截止厚度为截止频率为叫 （ . ，2%当波导尺寸比较大，或者入射光波频率较高，则发生.多 模传输，波导传输模的数量，由色敌方程求得.对于对称波导，色散方程变为波导截止厚度为截止频率为叫 （ . ，2%j耳一殖即 17T + arcta：1当m = 0（基模），4-g，说明基模不存在截止理 任何频率均可传播.收集于网络，如有侵权请联系管理员删除精品文档236 TM波的模式分析和截止条件 en - aicran2 ni外，还要求

10、对所用的光波长透明，无显著吸收与散射。光栅耦合器功能与棱镜耦合器类似，用于实现自由空间和平面介质光波导之间的耦合，不同的是棱镜和间隙介 质被光栅薄膜代替。光栅耦合器的优点：1）不受光波导折射率大小的限制。2）可以选择所有导模中的任意一种进行激励。3）可以与波导集成。震动或外界环境的变化，不会改变耦合效率，稳定性好，体积小，价格便宜。4）调整光束的入射位置时不需要特别严格的精度。5）也可以在横向进行同样的耦合，因此可以激励宽度非常大的波导光。光栅耦合器的缺点:收集于网络，如有侵权请联系管理员删除精品文档1）由于光栅耦合与入射光角度的高度相干性，光栅耦合器不能有效地用于发散光束的耦合;2）光栅耦合

11、器设计过程需要进行复杂的理论计算，而且制作比较困难；3）器件的参数在制作后无法进一步调整；4）对于条形波导，光束截面的匹配比较困难。尖劈形薄膜耦合器优点：制作简单，可以实现有效的输出耦合。缺点：用于输入耦合时，很难获得高的效率。AfV*弟二早.光波导的调制内调制（直接调制）和外调制（间接调制）：内调制是利用调制信号直接控制激光器的振荡参数，使输出光的特性随信号而改变收集于网络，如有侵权请联系管理员删除精品文档外调制是用调制信号作用于激光腔外面的调制器，产生某种物理效应（如电光、磁光、声光、热光 等效应），使通过调制器的激光束的某一个参量随信号而变。.光波调制相位调制，强度调制，偏振调制.会求电

12、光效应引起的折射率的变化222KX2X312122222222KX2X312122222 Xl X2n1n2n3n1n22X331X2X3n 4X1X3 21 XX 12 X| X2 I n 6在外加电场总8；作用F,折射率的改变量为-A耳弓E.收集于网络，如有侵权请联系管理员删除精品文档外加电场对折射率椭球的影响以LiNbO?晶体为例：未加电场时，主轴坐标系中的折射率椭球为士至二1221(1 在外场作用下4的(1 在外场作用下4的增量为5 JiA：Uioo00%0/3100;金为00Q收集于网络，如有侵权请联系管理员删除精品文档因此在外电场作用下,折射率椭球方程变为因此在外电场作用下,折射率

13、椭球方程变为十为再+丫m +力声+2%： E V7斗物闽K； 一工八再盯=1当电场方向为z轴时，折射率椭球变为当电场方向为z轴时，折射率椭球变为沿工方向的电场并未引起折射率椭球主轴方向的变化，只是引 起主轴折射率变化，此时折射率椭球变为/ + /+ Z2仇+加4(% + %其中当在Y方向加电场时，折射车椭球方程变为+ + 2； y2 +z- +2yE yz = 1(戏 ；片当在x方向加电场时，折射车椭球方程变为-T( +广一4 2仁心引 + 2%旦我=14.声光效应的布拉格条件和 Q判据？拉曼-奈斯衍射和布拉格衍射有何不同?根据声波和光波的波长以及相互作用区域的长度L的相对大小，存在两种声光衍

14、射现象，即拉曼-奈斯(Raman-Nath)方射和布拉格衍射(1).拉曼一奈斯(Raman-Nath)ffi射收集于网络，如有侵权请联系管理员删除精品文档此时声波频率较低，声波束宽度 L较小，由于声速比光束小的多，在光束通过介质的时间内，折射“薄光栅”，此时声波的作用L距离内只受到一次衍射率的变化可以忽略不计，可以把声光介质看作相对静止的“面相位光栅”或 可视为与普通平面光栅相同的折射率光栅。由于光栅较薄，使得入射光在 “薄光栅”，此时声波的作用L距离内只受到一次衍射当入射光沿z方向（i 0）时，各级衍射处所相应的方向由下式给出a a sin m 0 / nm 0, 1, 2,L计算表明，拉曼

15、-奈斯衍射的效率较低，其中一级衍射效率最大不超过35%,但这种衍射不受入射角的限制，因此调节方便，在许多领域仍得到广泛应用。(2) Raman-Nath 衍射条件:计算表明，拉曼-奈斯衍射的效率较低，其中一级衍射效率最大不超过35%,但这种衍射不受入射角的限制，因此调节方便，在许多领域仍得到广泛应用。(2) Raman-Nath 衍射条件:当声波束宽度满足时，即产生Raman-Nath衍射，可以忽略介质中各衍射光的相互影响2.布拉格衍射对于布拉格光栅，般情况下衍射光都很弱,只有满足/7二 只有满足/7二 入射角衍射角布桁格角& = arcsin时，衍射光最强.上式称为布拉格条件，或写为sin

16、0B =夭二4 /17衍射光强与入射光强之比满足；=sin-P材料的体密度P材料的体密度赳尸河=） 一声光品展因数匕一声速叫收集于网络，如有侵权请联系管理员删除精品文档入射角8,与衍射角包之和，又称偏转角二a = 4+ % = 20B % arcsm(A/) w q/2 十匕Q判据为区分声光衍射效应的类型，引入判据c股上 HLU- - 、一上上 乃当pal时.属找曼一奈斯声光桁射；当时，属布拉格声光衍射.通常认为O4jt时以布拉格衍射为主.5.自然旋光旋光定义：当线偏振光沿某些晶体(如石英)的光轴方向传播，或通过某些溶液(如蔗糖)时，其振动面将以光的传播方向为轴发生旋转，这称为旋光现象。自然旋

17、光现象的特征(1)自然旋光具有可逆性。若迎着光传播方向看去，振动面表现为右旋，则当光线逆反时，振动面仍表现为右旋，即左右旋与光的传播方向无关！(2)光束一正一反两次通过自然旋光物质时，振动面转过角度为005.什么是磁光效应，利用磁光效应可以构成哪些光学器件？法拉第磁致旋转效应：在外加磁场 B作用下，某些原本各向同性的介质变成旋光性物质，偏振光通过该物质时其偏振面发生旋转。法拉第旋转的特殊规律(1)磁致旋光不可逆性。当光传播方向平行于磁场时，若法拉第效应表现为右旋，则当光线逆反时，法拉第效应表现为左旋。(2)光束一正一反两次通过磁光介质时，振动面转过角度2。收集于网络，如有侵权请联系管理员删除精

18、品文档法拉第旋转的应用: 磁光隔离器(Isolators)：放置于激光器及光放大器前面，防止系统中的反射光对器件性能的影响 甚至损伤，即只允许光单向传输。磁光环彳T器(Circulators)： 一种三端口(或四端口)的 非互易磁性器件，在光网络中用于信号的 上、下载。收集于网络，如有侵权请联系管理员删除精品文档第四章.电子跃迁的种类受激辐射受激吸收自发辐射.半导体激光器的分类F-P腔激光器，分布反馈（DFB）激光器和分布Bragg反射器（DBR）激光器，量子限制激光器，垂直腔表面发射激光器（VCSEL）,解理耦合腔半导体激光器（C3,cleaved coupled cavity）.半导体激光

19、器效率的各种定义和表达式，会求半导体激光器的发射波长他）功率效率融光器01光功率/激光器辐射的光功率_% =激光器消耗的电功率一丁乂+,凡/ 激儿者堵电压.道九黑率膝电也注入蛭收集于网络，如有侵权请联系管理员删除精品文档精品文档lb)内量子效率:内量子效率T15有赛区内每秒钟产生的区子数有将区内行秒钟注入的电子-空穴对敌描射复合谏率外量子效率;Hi外量子效率;Hi 二丸+此j一北福射轨合速率外量子效率小二有源区内每秒钟发射的光子希一 布源区内每杪钟注入的电子-中穴对瓢_ PJM =匕He W./ 激光器注入电流PN结外加电压皿)外微分量了效率外微分量子效率加定义为阑值以上每对复合载减子发射的光

20、 子数.表示为二Pjhvt)d可从P-I特性的斜率(阈值以上)dHdl求得d(Fjh/ *? dP 一 .rfPfwff) L72%=Jfr/ = O.SO65z(/fw - 万(对GaALAs材料)Eg 由dlymAjT1D股在轨45.5之间激光耦输出光功率,发射波长:hc发射波长:hcEdir. DFB和DBR激光器在结构和工作上有何不同？如何求它们的发射波长?(1)DFB激光器的模式：不正好是布拉格波长，而是对称的位于 B的两侧。2假设m是允许DFB发射的模式，此时m B -(m 1)2nL式中m是模数，L是衍射光栅有效长度。完全对称的器件应具有两个与 汜等距离的模式；实际上，由于制造过

21、程，或者有意使其不对称，只能产生一个模式；又因为L为，上式的第二项非常小，所以发射光的波长非常靠近 收集于网络，如有侵权请联系管理员删除精品文档DBR激光器除有源区外，还在紧靠其右侧增加了一段分布式布拉格反射器，它起着衍射光栅的 作用。DBR激光器的输出是反射光相长干涉的结果，只有当布拉格波长满足m（ b 飞） 2DBR结构和DFB类似，区别在于DBR根据波导功能进行分区设计，光栅的周期性沟槽放在有源波导两外侧的无源波导上，从而避免了光栅制作过程中可能造成的品格损伤。有源波导的增益性能和无源周期波导的Bragg反射作用相结合，只有位于 Bragg频率附近的光波才能得到激射。DFB激光器的特点：

22、1）动态单纵模窄线宽振荡DFB激光器只有满足Bragg反射条件的特定波长的光才能受到强烈反射而形成振荡。多个微型谐振腔同步振荡、共同选模，实现单纵模振荡。2）波长稳定性好温度漂移约为0.08nm/C。3）动态谱线好DFB激光器在高速调制时仍然保持单模特性。4）线性度好现已研制出线性度非常好的DFB激光器，广泛用于模拟调制的有线电视光纤传输系统中。5）波长选择性改变光栅周期能够在一定范围内有控制地选择激光器的发射波长。DBR激光器的特点：DFB激光器的增益区同光栅区重叠，当驱动电流改变时，输出功率和发射波长同时改变；而 DBR激光器的反射器和增益区分离，所以可以分别控制DBR激光器的输出功率（通

23、过改变流过激射区的收集于网络，如有侵权请联系管理员删除精品文档电流)和发射波长(通过改变流过光栅段的电流)。所以DBR激光器比DFB激光器更易于控制和调整。.参数(1)峰值波长在规定输出光功率时，激光光谱内强度最大的光谱波长被定义为峰值波长。(2)中心波长在光源的发射光谱中，连接50%最大幅度值线段的中点所对应的波长称为中心波长(3)谱宽与线宽包含所有振荡模式在内的发射谱总的宽度称为激光器的谱宽；某一单独模式的宽度称为线宽。边模抑制比(SSR边模抑制比是指在发射光谱中，在规定的输出功率和规定的调制(或CVV时最高光谱峰值强度与次高光谱峰值强度之比。该参数仅用于单模 LD,如DFB-LD.光检测

24、器光检测器是光信号的接收器件，是完成光信号转变为电信号的一种有源器件，又称光子计数器。它们检测光信号的工作原理，可以分为三个步骤：(1)光信号产生先生载流子；(2)先生载流子的迁移和可能的倍增(放大)；(3)光电流与外电路的相互作用与联系。. PIN光电检测器的基本参数及定义，求PIN的响应度和量子效率(1)波长响应(光谱特性),he 124(a)上截止波长：c 股124( m)Eg Eg(b)下截止波长：当入射光波长太短时，光子的吸收系数很强，使光电转换效率大大下降。收集于网络，如有侵权请联系管理员删除精品文档精品文档(2)光电转换效率 (a)量子效率：量子效率定义为入射在检测器上的一个光子

25、所产生的对光电流有贡献的先生载流子数目。即二(17)仃中(-/叫)盘I1fIpIpPn(b)响应度：Pn(3)响应速度响应速度常用响应时间(上升时间和下降时间)来表示。输入阶跃光功率时，光生电流脉冲由前沿最大幅度的10%上升到的90%,后沿的90%下降到10%的时间定义为脉冲上升时间和下降时间。. APD的工作原理碰撞电离，雪崩倍增先生的电子 空穴对经过高电场区时被加速。从而获得足够的能量，它们在高速运动中与P区晶格上的原子碰撞，使晶格中的原子电离，从而产生新的电子 -空穴对。这种通过碰撞电离产生的电子空穴对，称为二次电子-空穴对。新产生的二次电子和空穴在高电场区里运动时又被加速，又可能碰撞别

26、的原子，这样多次碰撞电离的结果，使载流子迅速增加，反向电流迅速加大，形成雪崩倍增效应。弟五早.光无源器件分类收集于网络，如有侵权请联系管理员删除精品文档按功能分类：光耦合器、光开关、分波与合波器、透镜、光偏转器、衍射光栅、反射器、偏振模转 换器、光滤波器、光衰减器、光隔离器、光环行器等。按所利用的物理效应分类：电光集成器件、声光集成器件、热光集成器件、磁光集成器件等。.电光调制器的分类和工作原理（重点是单波导型和定向耦合器型）（1）电光调制器的分类：单波导电光调制器，定向耦合器型电光开关与调制器，马赫一曾德尔干涉仪型电光开关与调制器，全内反射型电光开关和调制器（2）单波导型工作原理：这种调制器

27、一般是在低折射率的衬底上制作高折射率的波导层并做上电极而构成的。这类调制器中波导与衬底之间的总的折射率差口主要是由三种不同的原因造成的，nt ni n2nchemnR 肥。,只要设法改变器件的结构参数，从而改变上式等号右边的三项的差值，就可以设计出不同状态的调制器或开关。（3）定向耦合器型工作原理：定向耦合式调制器是由平行且距离很小的两个光波导组成，其中一个波 导的光能耦合到另一个波导内，电极电场的作用是改变波导的传播特性和促进两波导间的横向光耦 合。在光的一个耦合周期内，当电极上无电压时，一个波导内传输的光将完全祸合到另一个波导输 出；当电极上有电压时，进入一个波导内的光，耦合后将完全再返回

28、到原波导中传播和输出.因此光信号就受到了控制电压的调制。. TE-TM模式分离器和转换器的工作原理分离器：（1）在波导层的表面直接制作金属薄膜，根据金属薄膜对TE模和TM模的传输损耗的差异来实现某个模式的消除。（2）使用各向异性的晶体，在离子交换玻璃波导上，加载与 LiNbO3同属于 三方品系的负单轴晶体方解石（CaCO3）而构成偏振器。方解石对应于正常光线和异常光线的折射 率，在波长为0.633 pmB寸，分别为no=1.656, ne=1.458,当波导的折射率为 ng,存在着nongne的 关系。假设方解石的光轴与TE模的偏振光方向一致，那么TE模就可以在玻璃波导中传输；TM模 则由于ngno,会随着波导光往方解石中的泄漏和散射而消失。收集于网络，如有侵权请联系管理员删除精品文档转换器：TE-TM模式转换器的基本思想是采用沿导波传播方向周期性地变化外加电场的方法来弥 补TE模和TM模之间的相位失配，从而实现 TE-TM之间的模式转换。相位