光电子学(第四章11)课件

湖南大学2016年3月SchoolofPhysicsandMicroelectronicsScience

光电子学第四章光辐射在介质波导中的传播

第十七讲湖南大学SchoolofPhysicsandMic1问题一：光纤的损耗有哪几种?吸收损耗：

本征吸收损耗，紫外区吸收，电子跃迁引起；

红外区吸收，晶格振动及多声子过程引起；

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，瑞利散射，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；越长，损耗越大；第十六讲要点回顾问题一：光纤的损耗有哪几种?吸收损耗：2问题二：什么是光纤的色散？

第十六讲要点回顾问题二：什么是光纤的色散？第十六讲要点回顾3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？引起色散：材料色散，波导色散，模间色散；

模内色散：材料色散与波导色散（单模光纤）；模间色散（多模光纤）。

第十六讲要点回顾问题三：光纤的色散有哪几种？哪些属于模内色散？哪些属于模间色4问题四：材料色散主要由什么决定？第十六讲要点回顾问题四：材料色散主要由什么决定？第十六讲要点回顾5问题五：波导色散主要由什么决定？波导色散：光纤几何特性使信号相位和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时延差致波导色散；

波导色散：与尺寸（线经a）有关；与有关；a一定，越长，波导色散越严重（短相反），与材料色散相反。第十六讲要点回顾问题五：波导色散主要由什么决定？波导色散：光纤几何特性使6问题六：模间色散主要由什么决定？第十六讲要点回顾问题六：模间色散主要由什么决定？第十六讲要点回顾7光辐射在介质波导中的传播4§4-7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光波导装置与应用光辐射在介质波导中的传播4§4-7光纤损耗与8第十五讲要点波导制造方法及改性干涉滤波器132光开关和调制器第十五讲要点波导制造方法及改性干涉滤波器132920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、波导的制造二、开关和调制器三、干涉滤波器介绍波导（1）制造工艺、（2）装置结构、（3）主要性能、

（4）应用。20世纪60年代早期光波导现象，理论发展，装置问世。部分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光波导装置与应用一、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：

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；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11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。两技术都派生不同方法，各具优点。基质表面性质通过扩散或注入不同类物质变。

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。

光刻：材料沉积，

材料去除。1.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、波导的制造二、开关和调制器三、干涉滤波器基片正确定向，抛光和表面净化，波导材料薄层附加到基片表面。12Si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。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4-134-1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Tm1412℃，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。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14Si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.金属板印刷一、波导的制造二、开关和调制器三、干涉滤波器GaAs（Tm1238℃）类基片技术生长。区别：GaAs加热分解，熔融物上方As蒸汽压须控制。

BN坩埚，磁场熔融，“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10m，去除切割和成形晶格缺陷。

表面抛光，得优于2m平面度。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4-15①沉积②外延生长基片准备好，制备波导膜。方法：

沉积和外延生长。

沉积基片表面1m厚电介质或金属膜：

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：真空镀膜不同射频溅镀法，镀膜室充N，Ar.

基片靶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.金属板印刷一、波导的制造二、开关和调制器三、干涉滤波器①沉积基片准备好，制备波导膜。基片靶4-16基片在镀膜材料附近，镀膜室充P10-3-10-2乇Ar2；

镀膜材料阴极（靶）；基片阳极（图7-2）。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）。

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。

发射方向随机，大量原子飞向基片附着表面。

溅镀适合金属靶。

速率依赖靶性质，波导层较厚，

长沉积t.阳极阴极基片靶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光波导装置与应用①沉积②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

4.材料的改性5.刻蚀6.金属板印刷一、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P10-3-10-2乇Ar2；17A、化学汽化沉积（CVD）——非真空镀膜：

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；

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光波导装置与应用①沉积②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

4.材料的改性5.刻蚀6.金属板印刷一、波导的制造二、开关和调制器三、干涉滤波器A、化学汽化沉积（CVD）——非真空镀膜：4-1光在184-1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光波导装置与应用①沉积②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

4.材料的改性5.刻蚀6.金属板印刷一、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ZnCdSSenm线实验装置图2ZnxCd1-xSySe1-y

nm线各元素占百分比与处基底位置关系靠近放置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—液—固（VLS）机制半导体合金nm线化学气相沉积（CVD）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194-1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光波导装置与应用①沉积②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

4.材料的改性5.刻蚀6.金属板印刷一、波导的制造二、开关和调制器三、干涉滤波器图3x,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-ynm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；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204-1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光波导装置与应用①沉积②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

4.材料的改性5.刻蚀6.金属板印刷一、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214-1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光波导装置与应用①沉积②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

4.材料的改性5.刻蚀6.金属板印刷一、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。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22非晶膜沉积随机，无固定晶态结构。Ⅲ-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：基片有序生长模板，膜与基片参数匹配；生长材料与基片相同化学成分——同质外延；两种材料不同化学成分——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光波导装置与应用①沉积②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

4.材料的改性5.刻蚀6.金属板印刷一、波导的制造二、开关和调制器三、干涉滤波器非晶膜沉积随机，无固定晶态结构。4-1光在介质分界面23外延生长可基于蒸汽或液体。后者可<基片Tm实现。5%As+95%Ga混合88℃（<GaAsTm1238℃）熔融，一个As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T<GaAsTm，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光波导装置与应用外延生长条件：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。①沉积②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

4.材料的改性5.刻蚀6.金属板印刷一、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或液体。4-1光在介质分界面上反24B、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（0.01-0.03µm/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沉积②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

4.材料的改性5.刻蚀6.金属板印刷一、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4-125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：量子阱宽度限制（足够小形成），载流子波函数一维向局域化。

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TEM（透射电镜）截面图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光波导装置与应用①沉积②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

4.材料的改性5.刻蚀6.金属板印刷一、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26InAsPMQWPL强度与阱数关系量子阱使量子点有效发光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CdSe量子点放在“量子阱”上，量子阱为媒介间接刺激量子点发光。发光二极管效率一倍。

200710Nature

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光波导装置与应用①沉积②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

4.材料的改性5.刻蚀6.金属板印刷一、波导的制造二、开关和调制器三、干涉滤波器InAsPMQWPL强度与阱数关系量子阱使量子点有27InAsP/InP/InGaP/InP/GaInAsP应变补偿MQW（应变多量子阱）激光器

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光波导装置与应用①沉积②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

4.材料的改性5.刻蚀6.金属板印刷一、波导的制造二、开关和调制器三、干涉滤波器InAsP/InP/InGaP/InP/GaInAsP应变补28有些位置空出，杂质原子乘虚入，占据——补空式（a）；

无空位，杂质原子通过晶格间隙扩散进基片——填隙式（b）；

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.材料的改性

5.刻蚀6.金属板印刷一、波导的制造二、开关和调制器三、干涉滤波器①扩散②离子交换与质子交换③离子注入有些位置空出，杂质原子乘虚入，占据——补空式（a）；29基片原子沿与杂质原子反方向扩散——向外扩散。向内扩散用于制波导装置；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.金属板印刷一、波导的制造二、开关和调制器三、干涉滤波器①扩散②离子交换与质子交换③离子注入基片原子沿与杂质原子反方向扩散——向外扩散。向内扩散用于制波30交换过程：基片和某种材料熔融物。某种活泼离子在基片中浓度比熔融物中高；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4-8光波导装置与应用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.金属板印刷一、波导的制造二、开关和调制器三、干涉滤波器①扩散②离子交换与质子交换③离子注入交换过程：基片和某种材料熔融物。4-1光在介质分界面上反射31掩模对离子起挡板作用，

离子通过开槽运动，开槽区：Na+脱离基片向熔液扩散；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。向基片扩散

脱离基片向熔液扩散

图基于离子交换用钠钙玻璃（SiO2，Na2O和其他金属氧化物混合物）制通道波导原理。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.金属板印刷一、波导的制造二、开关和调制器三、干涉滤波器①扩散②离子交换与质子交换③离子注入掩模对离子起挡板作用，32离子注入——用于半导体掺杂。原理：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，有双电荷和杂质离子。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。进入基片离子与基片原子不断碰撞损失能量。最终某深度停，实现离子注入。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光纤损耗与色散4-8光波导装置与应用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.金属板印刷一、波导的制造二、开关和调制器三、干涉滤波器①扩散②离子交换与质子交换③离子注入离子注入——用于半导体掺杂。原理：进入基片离子与基片原33膜层制好，成形，去除不需材料——刻蚀。去除或刻蚀，依据纯物理或化学过程，可结合。根据：是否要求真空和有无用掩模分类。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.金属板印刷一、波导的制造二、开关和调制器三、干涉滤波器膜层制好，成形，去除不需材料——刻蚀。早期化学湿刻蚀；34干刻蚀：纯物理，物理/化学结合法。物理法（1）——溅射法：被刻蚀材料原子受离子轰击从表面发射。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：直流溅射镀膜变型。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。4-1光在介质分界面35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.金属板印刷一、波导的制造二、开关和调制器三、干涉滤波器向基片扩散

脱离基片向熔液扩散

刻蚀需定位。4-1光在介质分界面上反射与折射4-2介质平板36解决刻蚀深度受掩模限制措施：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.金属板印刷一、波导的制造二、开关和调制器三、干涉滤波器向基片扩散

脱离基片向熔液扩散

解决刻蚀深度受掩模限制措施：4-1光在介质分界面上反射与折37FIB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：

①串行过程，生产效率受限；②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.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.金属板印刷一、波导的制造二、开关和调制器三、干涉滤波器FIB缺点由活性离子刻蚀（RIE）克服。无掩模选择性刻38AlTi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）；

对每层分别作块模板，高精度将二者套准；

光学法将模版上图案转换到基片；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4-2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.金属板印刷一、波导的制造二、开关和调制器三、干涉滤波器工艺：制备一块掩模板——一片玻璃，覆Cr金属暗板；印刷方式将此主板拷贝到基片上。

Al制造Ti:LiNbO3方向耦合波导掩模板平39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；

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.金属板印刷一、波导的制造二、开关和调制器三、干涉滤波器图转换过程，基片镀带感光性树脂成图形膜，高倍显微镜将掩模板与40结构简单、使用广泛波导装置开关和调制器。应用：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；

用于t分割多路通信系统高速开关，允许几个低比特率通道共享同一单模光纤宽频带；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；

对称系统，有相应数量输入端。

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。对t分割多路传输及信号编码，开关速度重要。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光波导装置与应用一、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：开关参数：41不同形式耦合器各种功能：滤波；偏振选择。可调衰减器波导型定向耦合器1.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光波导装置与应用一、波导的制造二、开关和调制器三、干涉滤波器不同形式耦合器各种功能：可调衰减器波导型定向耦合器42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光波导装置与应用1.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43LiNbO3光调制器是Mach-Zehnder（马赫—曾德尔）干涉仪（MZI）行波电极强度光调制器。LiNbO3光波导调制器MZI行波电极LiNbO3电光调制器

偏置电极LiNbO3基

Mach-Zehnder波导薄膜耦合器行波电极输入光纤输出光纤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光波导装置与应用1.方向耦合器2.滤波器和偏振选择装置一、波导的制造二、开关和调制器三、干涉滤波器LiNbO3光调制器是Mach-Zehnder（马赫—曾德尔44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：

N1和N2两波导有效n.定义：

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光波导装置与应用1.方向耦合器2.滤波器和偏振选择装置一、波导的制造二、开关和调制器三、干涉滤波器归一化参量方向耦合器由一对相距近相同条状波导组成。集成光波导45缺点：无外加V实现渡越，互作用长度L精确=耦合长度整数倍，制造难；

L相当于Lc（耦合长度）若干倍，要求L较大，需高驱动V.表现状态：要求导通与开启态间有小串扰开关，第一问题严重，L’≠nL调制器（n整数），导通态高损耗；

低V下高速调制，第二问题严重，

电极间隙使要求驱动V.

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光波导装置与应用1.方向耦合器2.滤波器和偏振选择装置一、波导的制造二、开关和调制器三、干涉滤波器缺点：表现状态：4-1光在介质分界面上反射与折射4-2介质46波导滤波器单模波导滤波器重要元件用于多路通信系统长历史。滤波器参数：中心；通带宽度；峰值滤波效率；旁瓣等级和电气可调谐性。

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光波导装置与应用1.方向耦合器2.滤波器和偏振选择装置一、波导的制造二、开关和调制器三、干涉滤波器波导滤波器单模波导滤波器重要元件用于多路通信系统长历史。47波导滤波器滤波带宽取决应用：使容差最小，用宽带滤波器；

有很好控制源多路通信，要求滤波器窄带宽。

对系统设计者，能有效覆盖较大带宽范围滤波器重要。

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光波导装置与应用1.方向耦合器2.滤波器和偏振选择装置一、波导的制造二、开关和调制器三、干涉滤波器波导滤波器滤波带宽取决应用：4-1光在介质分界面48干涉型光开关X交叉型图干涉滤波器。两臂长度不等Y形分叉干涉仪，分束器和复合器有与干涉调制器相应器件同样功能。MD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光波导装置与应用一、波导的制造二、开关和调制器三、干涉滤波器

干涉型光开关X交叉型图干涉滤波器。MD型4-49另干涉滤波器图，两臂物理长度等，光学路径长不同。定向耦合器型光开关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光波导装置与应用一、波导的制造二、开关和调制器三、干涉滤波器

另干涉滤波器图，两臂物理长度等，光学路径长不同。定向耦合器型50ThankYou!SchoolofPhysicsandMicroelectronicsScienceThankYou!SchoolofPhysics51SchoolofPhysicsandMicroelectronicsScienceSchoolofPhysicsandMicr52SchoolofPhysicsandMicroelectronicsScienceSchoolofPhysicsandMicr53

湖南大学2016年3月SchoolofPhysicsandMicroelectronicsScience

光电子学第四章光辐射在介质波导中的传播

第十七讲湖南大学SchoolofPhysicsandMic54问题一：光纤的损耗有哪几种?吸收损耗：

本征吸收损耗，紫外区吸收，电子跃迁引起；

红外区吸收，晶格振动及多声子过程引起；

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，瑞利散射，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；越长，损耗越大；第十六讲要点回顾问题一：光纤的损耗有哪几种?吸收损耗：55问题二：什么是光纤的色散？

第十六讲要点回顾问题二：什么是光纤的色散？第十六讲要点回顾56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？引起色散：材料色散，波导色散，模间色散；

模内色散：材料色散与波导色散（单模光纤）；模间色散（多模光纤）。

第十六讲要点回顾问题三：光纤的色散有哪几种？哪些属于模内色散？哪些属于模间色57问题四：材料色散主要由什么决定？第十六讲要点回顾问题四：材料色散主要由什么决定？第十六讲要点回顾58问题五：波导色散主要由什么决定？波导色散：光纤几何特性使信号相位和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时延差致波导色散；

波导色散：与尺寸（线经a）有关；与有关；a一定，越长，波导色散越严重（短相反），与材料色散相反。第十六讲要点回顾问题五：波导色散主要由什么决定？波导色散：光纤几何特性使59问题六：模间色散主要由什么决定？第十六讲要点回顾问题六：模间色散主要由什么决定？第十六讲要点回顾60光辐射在介质波导中的传播4§4-7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光波导装置与应用光辐射在介质波导中的传播4§4-7光纤损耗与61第十五讲要点波导制造方法及改性干涉滤波器132光开关和调制器第十五讲要点波导制造方法及改性干涉滤波器1326220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、波导的制造二、开关和调制器三、干涉滤波器介绍波导（1）制造工艺、（2）装置结构、（3）主要性能、

（4）应用。20世纪60年代早期光波导现象，理论发展，装置问世。部分634-1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光波导装置与应用一、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：

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；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64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。两技术都派生不同方法，各具优点。基质表面性质通过扩散或注入不同类物质变。

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。

光刻：材料沉积，

材料去除。1.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、波导的制造二、开关和调制器三、干涉滤波器基片正确定向，抛光和表面净化，波导材料薄层附加到基片表面。65Si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。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4-664-1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