第1章光波导原理与器件

光导波原理与器件第1章

光波导原理与器件概述第2章

光波导的基本理论第3章光波导器件与传感器第4章光波导的制备技术第5章光波导的耦合理论与耦合器第6章光波导调制技术第7章光纤和光纤技术第1章光导波原理与器件概论

1.1导波光学的发展概况

1.2导波光学系统构成及优点

1.3光波导器件的进展

1.4光波导技术发展前景和趋势

长春理工大学1.1.1导波光学基本概念

1.1.2导波光学产生及发展过程

1.1导波光学的发展概况

第1章光导波原理与器件概论长春理工大学

二十世纪六十年代激光的出现，使半导体电子学、导波光学、非线性光学等一系列新学科涌现出来。二十世纪七十年，由于半导体激光器和光导纤维技术的重大突破，使以光通信、光信息处理、光纤传感、光信息存储与显示等为代表的光信息科学与技术得到迅速发展，导波光学已经成为光信息科学与技术的基础。为了便于理解导波光学的含义，我们从相关的基本概念讲起。

第1章光导波原理与器件概论长春理工大学1.1.1导波光学基本概念

1、导波光学：导波光学是研究光在光波导中传输规律及其应用的学科。它的研究对象是以光波导现象为基础的光子学和光电子学系统。光波导：光波导一般指导光薄膜，定义为有一维或二维限制的狭窄的导光通道元器件。光子学：光子学定义为光的产生、发射及相互作用的微观量子理论。光电子学：光电子学是由光学和电子学相结合而形成的新技术学科。第1章光导波原理与器件概论长春理工大学2、集成光路：集成光路指在光波导上制造微型的光学元件，并互连耦合为具有一定功能的光学系统，用以实现光的发射、传输、偏转、调制和探测功能的光路系统。第1章光导波原理与器件概论长春理工大学1.1.2导波光学产生及发展过程

推动导波光学发展的动力来自于人们要制造小型化光学元件和集成化光学系统，即制造结构紧凑，性能稳定的集成光路。制造集成光路首先要解决的就是光源小型化，因此，导波光学是伴随半导体激光器的发展而发展起来的。1962年7月，在固体器件研究国际会议上，美国麻省理工学院林肯实验室的学者克耶斯和奎斯特报告了砷化镓材料的光发射现象，这是半导体激光器的雏形。第1章光导波原理与器件概论长春理工大学半导体激光器以材料的p-n结特性为基础，因此，半导体激光器常被称为二极管激光器或激光二极管。20世纪60年代初期的半导体激光器是同质结型激光器，它是在一种材料上制作的p-n结二极管在正向大电流注入下，电子不断地向p区注入，空穴不断地向n区注入。第1章光导波原理与器件概论长春理工大学半导体激光器发展的第二阶段是异质结构半导体激光器，它是由两种不同带隙的半导体材料薄层，如GaAs,GaAlAs所组成。它是利用异质结提供的势垒把注入电子限制在GaAsp-n结的p区之内，以此来降低阈值电流密度，其数值比同质结激光器降低了一个量级，但单异质结激光器仍不能在室温下连续工作。

第1章光导波原理与器件概论长春理工大学1970年，实现了激光波长为900nm室温连续工作的双异质结GaAs-GaAlAs激光器。其结构的特点是在p型和n型材料之间生长了仅有0.2μm厚的，不掺杂的，具有较窄能隙材料的一个薄层，因此注入的载流子被限制在该区域内(有源区)，这样注入较少的电流就可以实现载流子数的反转。第1章光导波原理与器件概论长春理工大学在半导体激光器件中，目前比较成熟、性能较好、应用较广的是具有双异质结构的电注入式GaAs二极管激光器。随着异质结激光器的研究发展，人们想到将超薄膜(<20nm)的半导体层作为激光器的激活层，以致于能够产生量子效应。由于MBE，MOCVD技术的成熟，在1978年出现了世界上第一只半导体量子阱激光器(QWL)。子阱半导体激光器与双异质结(DH)激光器相比，具有阈值电流低、输出功率高，频率响应好，光谱线窄和温度稳定性好和较高的电光转换效率等许多优点。第1章光导波原理与器件概论长春理工大学QWL在结构上的特点是它的有源区是由多个或单个阱宽约为10nm的势阱所组成，由于势阱宽度小于材料中电子的德布罗意波的波长，产生了量子效应，连续的能带分裂为子能级。因此，特别有利于载流子的有效填充，所需要的激射阈值电流特别低。半导体激光器的结构中应用的主要是单、多量子阱，单量子阱(SQW)激光器的结构基本上就是把普通双异质结(DH)激光器的有源层厚度做成数十nm以下的一种激光器，通常把势垒较厚以致于相邻势阱中电子波函数不发生交迭的周期结构称为多量子阱(MQW)。第1章光导波原理与器件概论长春理工大学长春理工大学1.2导波光学系统构成及优点

1.2.1导波光学系统构成

1.2.2导波光学系统优点

第1章光导波原理与器件概论长春理工大学1.2.1导波光学系统构成

导波光学系统一般由光源、耦合器、光波导器件、光调制器和光探测器等组成。与传统的、非集成的离散光学元件系统相比，导波光学系统具有体积小、重量轻、结构紧凑和性能稳定等特点。

离散光学系统是将有一定几何尺寸的光学元器件固定在大型的光学平台或光具座上所构成的光路系统。系统的大小约是几平方米的数量级，光束的粗细约为5-10mm的范围。光束一般通过空气在各个光学元器件之间进行传输。由于受到介质对光的吸收、色散和散射等因素的影响，系统光能损耗较大，组装、调整也比较困难。第1章光导波原理与器件概论长春理工大学

导波光学系统是在同一块衬底上尽量制作多个微型的光学元器件，因而不存在离散光学器件所具有的组装问题，不仅可以保持光学元器件相对位置不变，而且对振动和温度等环境因素的适应性也比较强。另外，由于各个光学元件用衬底内部或表面上形成的光波导连接起来，因此，光波容易控制和保持其能量。第1章光导波原理与器件概论长春理工大学1.2.2导波光学系统优点

首先，集成光路与光纤一样，信号的载体是光波，光波的频率比电子手段产生的电磁振荡高得多，因而可能加载频带宽极宽的信号，而且避免了电路的导线固有的电容和电感导致的频率限制效应。这样，集成光路的光信号的传输带宽及与此相应的传输信息量，比电子电路系统的电信号的传输带宽和信息量超过若干数量级。导波光学系统具有体积小、性能稳定可靠、效率高、功耗低、使用方便等优点。第1章光导波原理与器件概论长春理工大学其次，虽然电子计算机已经进入大规模和超大规模集成电路的时代，但其运算速率始终受限于固体电子器件中电子运动的速度，而光子计算机以光速运动的光子为工作的基础，其理论计算速率可高达1010～1011次/秒，它比目前计算速率最快的电子计算机高100～1000倍。第1章光导波原理与器件概论长春理工大学第三，空间上多道阵列、多频段以致三维立体的光学存储及处理的特点，使光存储和处理的容量可达到1018kbit的“海量信息”。如果用集成光路来实现光信号的逻辑运算、传送和处理，则可制成体积小、速度快、容量大的“全光计算机”。光子计算机与电子计算机相比有着并行处理、信号互不干扰、开关速度快、光速传递、宽带以及信息容量极大的优点。

第1章光导波原理与器件概论长春理工大学总的来说，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，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。

第1章光导波原理与器件概论长春理工大学1.3.1光波导宽带光调制器

1.3.2光波导开关

1.3光波导器件的进展

1.3.4高密度信息读取器1.3.3光波导频谱分析器

第1章光导波原理与器件概论长春理工大学至今已经实用化了的制成品仍然比较少。本节将对集成光路中成熟程度比较高的若干光波导器件进行介绍。

光波导器件可以分为无源器件和有源器件。集成光路则是将这些分立器件有机地集成在同一块衬底上而构成的。第1章光导波原理与器件概论长春理工大学1.3.1光波导宽带光调制器

在将来的相干光通信中，人们打算使用10GHz的频带或者更高的频带。为能够制作出具有数千兆赫通带宽度的光调制器，研究人员正进行着不懈的努力。已经有大量的行波型光调制器的报道，它们属于马赫－泽德干涉仪型的。其调制带宽取决于波导光与微波的速度匹配程度。图1.2就是一个已经达到了实用化水平的调制器的例子。第1章光导波原理与器件概论长春理工大学第1章光导波原理与器件概论长春理工大学其插入损耗为2dB，驱动电压为5V，具有7GHz的调制带宽。用这种调制器进行了4Gbit/s的传输实验，传输距离达到l32km。为了实现更宽带域的速度匹配，使用图1.2b)所示的屏蔽电极，得到了40GHz的带宽特性。另外，也有谐振型光调制器的报道，它采用约100mW的调制输入电功率，得到了33-40GHz带宽的超高速调制。

第1章光导波原理与器件概论长春理工大学1.3.2光波导开关

将多个LiNbO3波导开关集成在同一块衬底上，可以构成具有多个输入端和输出端的N×N或者l×N光学开关网络。其主要的应用目标是制作成未来的光纤通信系统中的光交换机以及时段分割通信系统中的发射信息与接收信息的器件。

第1章光导波原理与器件概论长春理工大学1、分支型开关阵列。在器件长度比较短、适合于集成化的器件中大都采用LiNbO3分支开关。当波导宽4μm时，电极长度为0.8mm，即使做成如图1.3所示的1×4光学开关阵列，开关工作部分的长度也仅仅只有3mm。第1章光导波原理与器件概论长春理工大学2、方向耦合器型开关阵列。通常方向耦合器器件长度约为5mm，即使不要求比较严格的制作精度，也可以在比较低的电压下获得比较高的消光比，因而首先用于制作集成化光学开关阵列。图1.4所示是以Z切割LiNbO3为衬底，制作出的用于1.3μm波长的4X4光学开关阵列。第1章光导波原理与器件概论长春理工大学

在现在的光纤系统中，使用的几乎都是不具有偏振波面保存特性的单模光纤，因此出现了会受到偏振光影响的光学器件难于原封不动地集成进集成光路的难题。图1.5所示是解决了上述难题而不受偏振光影响的8×8光学开关阵列例子。第1章光导波原理与器件概论长春理工大学1.3.3光波导频谱分析器

集成光路RF频谱分析器是将波导型布拉格器件与波导透镜组合起来，对射频(RF)信号进行实时频谱分析的器件，如图1.6所示。第1章光导波原理与器件概论长春理工大学1、混合型。作为宽带域IOSA的波导材料，最合适的是具有优秀的高频声表面波滤波器(SAW)特性的LiNbO3，这时候需要将其制作成外贴光源与光检测器的混合型集成光路。从理论上讲，这种混合集成光路可以做到1GHz的带宽，1MHz的分辨率，响应速度为lus。这些利用电先效应的IOSA的缺点是，需要有能够把时序信号变换为并行信号的电子电路；但是它的优点是具有超高速响应的可能性。第1章光导波原理与器件概论长春理工大学2、准单片型。IOSA所需要的光检测器与其它的光学器件有可能实现准单片集成化。作为这种准单片型IOSA的衬底，选用Si比较合适。虽然含有主检测器的单片集成化的IOSA至今尚未制作出来，但是采用衍射型透镜，制作出了将检测器以外的器件全都集成在一起了的典型器件，而且它的正常运作也得到了确认。在IOSA之中，迄今为止在应用方面还没有实现尽善尽美的性能，在分辨率的改善、通带宽度最大值的探讨以及全集成化等方面，为今后留下了不少的研究课题。第1章光导波原理与器件概论长春理工大学频谱分析虽然用电子电路也可以完成，但是当采用光学器件来完成时，因其具有并行处理功能，而使得测量的高速化和实时处理成为可能，而且通过将其制作成集成光路还可以使它在结构上更加小型化。现在的研究开发主要着眼于雷达信号的处理，将来有可能将其应用于电波望远镜、各种激光探测、遥感以及通信等广泛的信息处理领域。特别是在卫星搭载中，为了满足体积小、重量轻的需求，它将成为一种重要的器件。第1章光导波原理与器件概论长春理工大学1.3.4高密度信息读取器

现在读取光盘等高密度的光信息，使用的是高密度信息读取器，又称光盘拾波器。最终目的是为了减小体积、减轻重量、提高性能和改善工艺，制成读取器件的集成光路化。到目前为止，虽然其性能还没有哪一种能够达到实用化的程度，但是，由于作为民用设备，存在着极大的潜在市场，人们普遍把它看作是集成光路的重要应用领域而进行着积极的开发和研究。

第1章光导波原理与器件概论长春理工大学图1.7中绘出了光集成光盘拾波器的结构。IODPU是将读出专用拾波器的光学系统全部集成化的器件，具有输出对应于光盘反射的读出信号以及聚焦与跟踪伺服用的误差信号的功能。第1章光导波原理与器件概论长春理工大学在该器件的结构中，集成了以SiO2/Si为衬底和玻璃薄膜波导为基础的聚光光栅耦合器(FGC)、光栅光束分离器(TGFBS)和光电二极管(PD)。

第1章光导波原理与器件概论长春理工大学1、读出信号检测。由半导体激光器(LD)发射光是发散的波导光，被聚焦光栅耦合器(FGC)聚焦到光盘上，而由光盘反射回来的光再次经由同一个FGC被耦合进波导之中。TGFBS是衍射效率为50%的布拉格光栅，它将反射回来的光波面一分为二，并且因为偏转而偏离光轴，在比较弱的透镜作用下，被聚焦于两个检测点。通过使用这种具有复合功能的光栅器件，达到了简化器件结构的目的。在两个检测点的两侧各有两个光电二极管(PD)，也就是说共有四个PD被设置在Si衬底的表面，为了将波导光高效率地耦合进PD，把衬底与波导层之间的缓冲层制作成锥形，形成一种波导层逐渐靠近Si表面的结构。读出的信号为四个PD所得到的光电流的总和。第1章光导波原理与器件概论长春理工大学2、聚焦误差检测。如果光盘出现往远处的扰动，返回的光就会聚焦于检测点的前方，使得位于内侧的PD中产生比较大的光电流；如果光盘出现往近处的扰动，返回的光就会聚焦于检测点的后方，使得位于外侧的PD中产生比较大的光电流。根据内外侧PD中光电流的差值，就可以得出误差信号。

第1章光导波原理与器件概论长春理工大学3、跟踪误差检测。在没有误差的情况下，在关于LD-FGC线呈对称关系的PD中会有等量的光电流；在产生误差的情况下，光的对称性将会被破坏，而在对称的PD中的电流就会出现差值，从而得到误差信号。将IODPU搭载在传动装置上，通过利用误差信号对传动装置的闭环驱动，从而可以实现聚焦和跟踪。第1章光导波原理与器件概论长春理工大学1.4光波导技术发展前景和趋势

1.4.1光波导技术的研究热点

1.4.2光波导技术的发展趋势

第1章光导波原理与器件概论长春理工大学

对于光波导的研究，多年来以美国、日本和欧洲为中心，在世界各地持续高涨。在近三十年里，薄膜制作技术研究精细加工技术都有了长足进步，并以这些技术为支柱，确立了各种材料制作光波导的方法，无源器件和有源器件制作中出现的问题也相继得到解决。目前所制作的光波导元器件的特性已经接近或达到设计指标。但是，要想把多个分离的光波导元器件集成在同一个衬底上形成集成光路还有许多问题要研究。

第1章光导波原理与器件概论长春理工大学1.4.1光波导技术的研究热点

当前，光波导技术的研究热点主要集中在如下几个方面：1、降低光波导传输损耗。光波导传输损耗的大小直接影响到光波导技术在光电探测、光纤通信以及光信息处理等领域的推广和应用。光波导的传输损耗主要来自材料本身对光的吸收和散射。在平面波导的情况下，波导层和衬底层以及波导层和覆盖层处的散射，在条形波导中，还会增加侧面不光滑引起的散射等。散射带来的背景噪声会使信噪比降低，降低光波导传输损耗是导波光学首先要解决的问题。第1章光导波原理与器件概论长春理工大学2、提高集成度。导波光学最终要实现目的是光路器件的小型化和集成化，并制成大规模集成光路，从而提高光路的稳定性和可靠性。对光路器件的尺寸要求通常为微米量级，随着纳米技术的发展，人们希望制作出尺寸更小的光波导器件，这样可以提高集成度，使器件的性能得到提升。要制作高质量的狭长结构的波导，还需要研究与此相适应的制作技术。第1章光导波原理与器件概论长春理工大学3、提高调制器的消光比。在光通信、光计算以及集成光路系统当中，经常要对光信号进行调制