集成光路和光电子集成课件

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1、长期以来，人们将分立光学器件固定在光具座或光学平台上缺点:体积大，笨重、稳定性差、光路调节难等，不适于大规模重复性生产。集成光路和光电子集成光导波现象的研究与理论的建立为发展包括波导棱镜、透镜、光栅、光耦合器等一系列导波光学器件奠定了坚实基础。做到了微型化，而且实现了平面化。1969年Miller等首次提出“集成光学”(IntegratedOptics，IO)的名称。集成光学从基础研究转向应用研究最为突出的是对以铌酸锂(LiNbO3)晶体为衬底材料的光波导调制器的研究。具有频带宽、调制电压低、功耗小、

2、能与光纤以及其他导波光学器件匹配等优点，所用的全部光学器件包括激光器与探测器并非采用同一衬底材料。按照所用衬底材料的种类划分，集成可以分为两大类型。混合集成单片集成它的全部光学器件乃至电子学器件都集成在同一衬底材料上。像光纤传光一样，为了将光约束在波导里传输，要求n1必须大于n2和n3，即n1>n2≥n3。对于n2=n3的波导，通常称为对称平面波导，而n2≠n3的波导称为非对称平面波导。集成光学器件及其应用1.平面光波导传光原理1)、平面光波导的结构平面介质光波导的基本结构图波导层一般只有微米量级厚，

3、可与光波长相比较，它与衬底的折射率相差大约10-3～10-1。2)、平面光波导传光原理n1为波导层折射率，n2、n3分别为衬底和包层折射率，有n1>n2>n3。光从光密(折射率大)介质进入光疏(折射率小)介质时存在一产生全反射的临界角，当光线的入射角小于临界角时，光线将从光密介质折射进入光疏介质，仅当光线入射角大于临界角时才可能在界面上产生全反射。光线在平面波导中传输图(a)的辐射光线称为“包层辐射模”，图(b)的辐射线称为“衬底辐射模”，图(c)的光线称为“导模”。平面光波导的性能主要是指它的传播模

4、式传输损耗色散输出光场分布等平面光波导的性能与分析一、平面光波导的传播模式在图1中，光只在x方向受到限制。实际应用中，除了x方向外，光在y方向还受到限制，它只能沿z方向传播，这样的光波导我们称为三维波导或条波导，如下图所示。对于二维即平面波导，凡是满足全反射条件入射而保持在波导里传输的光，对应波导的一个传输模式，而且在一定波长下，随着波导层厚度的增加所允许传输的导模数量也增加。对于一定波长的光来说，当非对称波导的厚度下降到某一值后，光波不再可能在波导里传输，我们把波导层的这一厚度称为波导截止厚度。对于

5、给定厚度的波导，当波长增加到某一值后，光波不再可能在波导里传输，我们把这一波导厚度下的光波长称为导模的截止波长(或频率)。这是非对称平面光波导所特有的性能。对称平面光波导与光纤一样不存在波导截止厚度与导模截止波长(或频率)的现象。图3三维波导结构图4m=0、1、2、3时的TEm、TMm场形二、平面光波导的传输损耗集成光学所应用的光波导长度一般只有几个厘米长，因此对平面光波导的损耗要求不高。一般能达到1dB／cm大小的损耗就能提供应用了。平面光波导损耗由单位长度波导下光功率衰减量表示，即光波导的衰减系数

6、α(λ)为α(λ)=(1／L)·10lg(p2／p1)(dB／cm)式中，p1、p2为光波导输入与输出光功率；L为波导长度。平面光波导的损耗主要决定于材料的损耗波导表面散射波导工作模式对于单模平面光波导则主要由前两者决定。平面光波导的材料损耗主要包括吸收损耗与散射损耗两部分。前者决定于所选用的光波导材料，后者决定于材料的散射损耗，更主要决定于波导制作中形成的晶体大小与均匀性以及内部缺陷，特别是波导表面的光洁性。所以，平面光波导的损耗除与材料有关外，很大程度上还与制作工艺有关。目前所应用的LiNb03材

7、料光波导，用钛(Ti)扩散工艺可作到损耗1～1．5dB／cm，质子交换工艺可作图6波导表面到1dB／cm甚至更低。图6波导表面畸变引起的散射图6为表面散射的示意图。引起表面散射的根本原因是波导表面的几何畸变，它使一部分导模耦合成辐射模而产生损耗。表征平面光波导传输特性的一个重要参量就是其相位传播常数(β)，系指光波在波导里单位传输距离下相位的变化。不同的传输模式有不同的β，一般基模的β最大，而TE模的β大于同一模序下TM模的β。平面光波导的色散特性即是指在一定波导结构(尺寸、折射率分布)下，β随光波长

8、变化的关系。随着传输光波长的增大，β将减小。三、平面光波导的色散特性在集成光路中传播常数β的确定之所以重要，其最主要原因是几乎所有集成光学器件(又称导波光学器件)都需要根据β的大小来进行设计。一旦波导结构与工作光波长设定，β值就得到确定。为了求解β值，通常借助计算机求解反映导模特征的色散方程。集成光路通常是由光波导将导波光学器件连结在一起构成的，而且它常常与外部光纤进行连接。为了保证光波顺利地传播,在连接处避免产生不应有的辐射或反射损耗，了解波导输出光场