22光电子集成演示教学.ppt

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” (Integrated Optics，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、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n1n2n3 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4 m=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1dBcm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()为 ()=(1L)10lg(p2p1) (dBcm),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材料光波导，用钛(Ti)扩散工艺可作到损耗115dBcm，质子交换工艺可作图6波导表面到1dBcm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()，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，一般基模的最大，而TE模的大于同一模序下TM模的。

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，随光波长变化的关系随着传输光波长的增大，将减小三、平面光波导的色散特性,在集成光路中传播常数的确定之所以重要，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)都需要根据的大小来进行设计 一旦波导结构与工作光波长设定，值就得到确定为了求解值，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，了解波导输出光场的分布是很有必要的四、平面光波导输出光场分布,研究平面光波导传输光场的方法有两种 一种是理论分析计算方法，其中一种称为光束传播法(BPM)，通过计算机求解可以得到传输光场分布的直观形象图形，如图7(a)所示，并得到了普遍应用 另一种方法是将光波注入光波导传播后借助测量仪器(如通过红外变像管配合CCD摄像机，或者带机械扫描装置的光电探测器)测量由波导输出的光强在空间不同位置的分布，如图7(b)所示图7平面波导输出光场分布 (a)由BPM方法计算的传输光场分布； (b)由摄像法得到的输出光场分布。

根据所得到的光强(光场)分布，就能很好地进行波导与波导，波导与光纤以及波导与导波光学器件间的耦合与匹配 目前研究和已开发应用的平面光波导有多种结构类型它可以按照构成波导的折射率分布形式，波导横截面结构以及选用的衬底材料来划分图中(a)为均匀折射率分布形式的光波导； 图中(b)为具有渐变折射率分布形式的光波导 理论计算与实验研究表明，对于一定折射率分布形式，确定波长的光在这样的波导中传输时总会存在一确定的截止深度dm，不同模式具有不同的深度，基模的d0最小光将在截止深度处反射回波导图8两种不同折射率分布形式的平面光波导,平面光波导也可以由三层以上的多层介质构成，图9给出一种既包含有均匀折射率分布又包含有渐变折射率分布的多层介质光波导结构与折射率分布 在集成光学中，条波导是应用最多的一种波导，按照波导横截面的结构形式有如图10所示的几种条波导使传输的光不仅在深度方向而且在侧向也受到了限制图9多层介质波导 图10条波导（三维波导）的结构,3 无源光波导器件,集成光路由许多光波导器件构成这些光波导器件大至可分为无源器件和有源器件无源光波导器件主要包括有类似光学元件的 波导棱镜 透镜 反射镜 光分束器 检偏器等，,类似微波器件的 波导型定向耦合器 滤波器 光隔离器 衰减器等。

一、定向耦合器,当两条结构相反彼此平行的光波导相互靠近到一定距离时就会产生光功率的交换由此构成的光波导器件称之为光学定向耦合器 图 (a)为平面波导型定向耦合器， (b)为条波导(沟道波导)型定向耦合器光学定向耦合器,这种“光学隧道”效应实际上是由一种叫做消失场的光场来完成的 在图11(c)中我们把波导1和2外的光场称之为消失场，当两波导彼此靠近时就产生了图中阴影部分，这是波导1和2的消失场重叠部分，正是这种重叠使得两条波导间彼此产生了光功率交换为什么当两条波导相互靠近时光波会从其中一条转换到另一条呢?,只要选取适当的L大小即可获得任意比例的功率分配 此外，定向耦合器的耦合长度与光波长和偏振态有关，因此利用这些特点，可以设计出选频(波分)器和选偏器图12定向耦合器用作表功率转换与分配,定向耦合器最关键的参数是耦合长度L0，它由描述两波导耦合强弱的耦合系数所决定当两波导耦合区长度L等于耦合长度L0时，光功率可从一条波导向另一条转换当L=L02时，则只有50的功率转换，这即是通常所说的3dB功率分配器(图12)许多集成光学器件需要在单一偏振模式下工作为此发展了光波导偏振器，它可以从输入光波中选择单一线偏振的导波光束，也可以从波导中耦合出单一线偏振光束。

其中最简单的方法是在平面波导上沉积一层金属薄膜，形成所谓的金属包覆波导二、光波导偏振器,金属薄膜可以产生两种效应： 一是使TE和TM导模的衰减系数有显著的差异另一种是改变TE和TM模的截止条件 利用其中任何一种效应都可以进行偏振模式的选择 图13为一金属包覆对称平面波导截止偏振器适当选择波导厚度d1与金属薄膜厚度d2，这样从金属包覆波导一侧进入的TE0、TM0波经过金属包覆波导后就只保留下TM0模，TE0模则因金属包覆波导的作用通过衬底辐射出去图13金属包覆对称平面波导截止偏振器,金属包覆波导偏振器的优点是结构简单，工艺制作方便，缺点是将带来一定损耗，因此包覆段都尽量做短利用光在平面光波导里传输的概念，可以设计出光波导透镜、棱镜和反射镜等，这些器件有时又称为二维几何光学器件，因为它们的工作原理满足二维几何光学的规律三、波导几何光学器件,在集成光学中，经常用到所谓“有效折射率”的概念，它常用符号N表示，实际上是表征光在波导里传播特征的量，与相位传播常数的关系为 =(2) N 通常，光在折射率为n的均匀介质中传播时，相位常数为=(2)n 比较前后两个，可见N与n一样具有折射率的物理意义。

1二维几何光学概念,波导折射率n1和厚度d愈大，导模的有效折射率N也就愈大因此，改变波导的折射率和厚度就可以使导模的有效折射率在波导平面上发生变化 如图14所示，利用楔形波导将折射率相同而厚度不同的两个平面波导连接起来，由于它们的有效折射率不同，因而在两个波导边界上发生折射或全反射 设波导和波导的有效折射率分别为N和N，光在波导中的入射角和波导中的折射角分别为和，则在波导平面上的折射定律可表示为,图14光在两个平面波导边界上的折射和全反射 (a)俯视图；(b)剖面图Nsin=Nsin 若波导的薄膜厚度d大于波导的薄膜厚度d，则NN，这时在波导边界上发生折射；若改变光从波导的入射角，当增大到全反射临界角后，光在波导界面上即会发生全反射 图中，导模在楔形波导区内沿弯曲的光路传播，这是由于楔形波导厚度不断减小引起有效折射率不断减小的缘故利用导模在波导平面上的折射和反射现象，也可以制作光波导形式的透镜、棱镜和反射镜2光波导透镜,导模折射率透镜是通过改变透镜部位波导材料折射率和厚度以增加或减少其有效折射率而形成的 图给出了几种模折射率会聚透镜结构 透镜边缘部分通常用楔形薄膜构成，可以防止模式转换、散射和反射损耗。

模折射率透镜结构简单，但像差较大愣勃透镜，如图16将高折射率薄膜沉积在平面波导的薄膜上面或在薄膜与衬底之间与模折射率透镜不同，它所沉积的高折射率薄膜厚度从圆心向边缘呈球面过渡波导短程透镜示于图17与前两种透镜不同的是这种透镜是通过改变透镜区传播长度来实现其功能的当导波光沿凹球面波导传输时，由于偏离中心轴的光线在透镜区光程较短从而离开透镜区后自动向中心轴偏移而产生会聚图17,图16,形成波导反射镜最主要的方法，有几何结构型、折射率分布型、光栅型以及棱镜型反射镜等 几何结构型反射镜结构如图18所示，它主要利用波导厚度变化来控制光的反射的 图中(a)为端面反射镜，它利用了波导端面的反射作用对于Ag+离子交换波导临界角约42，而LiNbO3波导约27，反射率可分别达到100和80 图中(b)为劈形端反射镜，光线在反射镜的轨迹是逐渐过渡的3波导反射镜和棱镜,图18几何结构型波导反射镜,波导棱镜结构示于图19，其中三角形棱镜部位的有效折射率N1大于周围的有效折射率Ns 当一束导模光从周围波导区进入棱镜部位时发生折射，其折射光束离开棱镜部分时再次被折射 因此波导棱镜可以起到偏转导模光束的作用，因而它与普通分立棱镜作用完全相同。

图19波导棱镜,光波导形式的几何光学器件，虽然在制作工艺上尚存在一些困难，但其小型、轻便、可靠等优点愈来愈引起人们重视，特别是这些器件在信息处理系统中的作用， 例如进行矩阵乘积、傅里叶和拉普拉斯变换以及相关运算等使其具有广阔应用前景，同时它们也是构成微型光学系统所必不可少的器件分支波导。