光波导原理及器件简介
包层n 2 芯区n 1 图1. 三层平面介质波导 图2. 矩形波导 图3. 圆光波导
图4. 椭圆光波导
光波导原理及器件简介
摘要：20世纪60年代激光器的出现，导致了半导体电子学、导波光学、非线性光学等一系列新学科的涌现。20世纪70年代，由于半导体激光器和光纤技术的重要突破，导致了以光导纤维通信、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技术的蓬勃发展，而导波光学理论是光通信技术的基础，同时也是集成光学、光纤传感等学科的基础。本文简述了光波导的原理，并着重介绍光波导开关。
关键词：光波导，波导光学，平面光波导，光波导开光
1.引言
1.1光波导的概念
波导光学是一门研究光波导中光传输特性及其应用的学科。以光的电磁理论和介质光学特性的理论为基础，研究光波导的传光理论、调制技术及光波导器件的制作与应用技术。导波光学系统是由光源、光波导器件、耦合器、光调制器及光探测器等组成的光路系统。
光波导是将光波限制在特定介质内部或其表面附近进行传输的导光通道。简单的说就是约束光波传输的媒介，又称介质光波导。介质光波导的三要素是：“芯/包”结构，凸形折射率分布（n1>n2），低传输损耗。光波导常用材料有：LiNbO3、Si 基（SiO2、SOI ）、Ⅲ-Ⅴ族半导体、聚合物等。
1.2光波导的分类
按几何结构分类，光波导可分为：平面（平板）介质波导，矩形（条形）介质波导，圆和非圆介质波导。
按波导折射率在空间的分布分类，光波导可分为：非线性光波导（n=n(x,y,z,E)），线性光波导（n=n(x,y,z)）。线性光波导又可分为：纵向均匀（正规）光波导
（n=n(x,y)），纵向均匀（正规）光波导（n=n(x,y)）。
2.光波导的原理简介
一种为大家所熟知的介质光波导就是通常具有圆形截面的光导纤维，简称为光纤。然而，集成光学所注重的光波导往往是平面薄膜所构成的平板波导和条形波导，这里，我只讨论平面光波导。
最简单的平板波导由三层材料所构成，中间一层是折射率为 n1的波导薄膜，它沉积在折射率为 n2的基底上，薄膜上面是折射率为 n3的覆盖层，一般都为空气。薄膜的厚度一般在微米数量级，可与光的波长相比较。薄膜和基底的折射率之差一般在10-1和10-3之间。为了构成真正的光波导，要求n1必须大于 n2和 n3，即 n1>n2>=n3。这样，光能限制在薄膜之中传播。
假定导波光是相干单色光，并假定光波导由无损耗，各向同性，非磁性的无源介质构成。
光在平板波导中的传播可以看作是光线在薄膜—基底和薄膜—覆盖层分界面上发生全反射，在薄膜中沿 Z 字形路径传播。光在波导中以锯齿形沿Z 方向传播，光在x 方向受到约束，而在y 方向不受约束。
在平板波导中，n1>n2且 n1>n3，当入射光的入射角θ1超过临界角θ0时：
入射光发生全反射，此时，在反射点产生一定的位相跃变。我们从菲涅耳反射公式：
出发，推导出反射点的位相跃变φTM 、φTE 为：
式中：β =k0 n1 sinθ1为光的传播常数，k0= 2πλ为光在真空中的波数，λ是
光的波长。
要使光在波导中稳定的传播,就要求：
其中： k=k0n1cosθ ,φ12、φ13为全反射的相位差，h 为波导的厚度，m 为模序数，即从零开始的正整数。所以，只有入射角满足上式的光才能在光波导中稳定地传播,
我们其叫做平板波导的色散方程。根据这些公式可得到与两种偏振态有关的平板波导模
式本征方程。
3.光波导的器件举例
光波导是集成光学重要的基础性部件，它能将光波束缚在光波长量级尺寸的介质中，长距离无辐射地传输。平面波导型光器件，又称为光子集成器件，是多类光器件的研究热点。目前，光通信应用最多的平面光波导器件主要包括有 : 各类光耦合器、平面波导阵列光栅、大端口数矩阵光开关、阵列型可变光衰减器、可调谐光滤波器、可调谐增益均衡器等。此处我主要介绍大端口数矩阵光开关。
平面波导型开关主要包含热光开关、电光开关和全内反射型开关。
热光开关是利用硅波导的热感应折射率变化制作的，其 M-Z 腔由二个3dB 耦合器和
二个波导臂组成的，其中一臂上加有热光相移薄膜加热器。通过受热和非受热实现开关
功能。
电光开关与热光开关的波导结构相似，但采用电折变效应来实现对波导臂的光程差
调制。由于Si材料为中心反演对称结构，泡克尔效应极弱，电光系数很小，因此难以利
用场致折变效应，只能利用 Si材料中的等离子色散效应，于是 Si 波导层中需要制备 p-n 结，以实现高浓度载流子的注入。InGaAsP/InP 材料有较强的泡克尔效应和较大的电光系
数而成为该类开关的研究热点。
全内反射型开关又叫气泡开关，利用了热毛细现象。是在波导的交叉点上垂直形成
窄矩形槽，槽内封入少量折射率匹配油，薄膜金属加热器淀积在槽的端上，通过加热使
槽内的油产生气泡以改变波导交叉点的折射率来实现开关功能。
参考文献：
【1】陈昊.平面光波导器件的发展. 信息技术, 2010,175 -178.
【2】刘光灿, 白廷柱.平面光波导器件及应用分析.光电技术应用，2005，20（3）:45-20.
【3】催凤林. 光集成器件. 北京：科学出版社,2002 .
【4】https://www.sodocs.net/doc/aa4347029.html,/view/858008a326fff705cd170a11光波导原理与器件概述
【5】https://www.sodocs.net/doc/aa4347029.html,/view/bf789cd0102de2bd9605888f导波光学
【6】https://www.sodocs.net/doc/aa4347029.html,/view/6079d51114791711cc791777.html?from=search光开关的原理及种类
武汉光电国家实验室
M 201572593
张艳丽
平面光波导(PLC, planar Lightwave circuit)技术
平面光波导(PLC, planar Lightwave circuit)技术 随着FTTH的蓬勃发展，PLC(Planar Lightwave Circuit,平面光路)已经成为光通信行业使用频率最高的词汇之一，而PLC的概念并不限于我们光通信人所熟知的光分路器和AWG，其材料、工艺和应用多种多样，本文略作介绍。 1.平面光波导材料 PLC光器件一般在六种材料上制作，它们是：铌酸锂（LiNbO3）、Ⅲ-Ⅴ族半导体化合物、二氧化硅（SiO2）、SOI（Silicon-on-Insulator, 绝缘体上硅）、聚合物（Polymer）和玻璃，各种材料上制作的波导结构如图1所示，其波导特性如表1所示。 图1. PLC光波导常用材料 铌酸锂波导是通过在铌酸锂晶体上扩散Ti离子形成波导，波导结构为扩散型。 InP波导以InP为称底和下包层，以InGaAsP为芯层，以InP或者InP/空气为上包层，波导结构为掩埋脊形或者脊形。 二氧化硅波导以硅片为称底，以不同掺杂的SiO2材料为芯层和包层，波导结构为掩埋矩形。 SOI波导是在SOI基片上制作，称底、下包层、芯层和上包层材料分别为Si、SiO2、Si和空气，波导结构为脊形。 聚合物波导以硅片为称底，以不同掺杂浓度的Polymer材料为芯层，波导结构为掩埋矩形。 玻璃波导是通过在玻璃材料上扩散Ag离子形成波导，波导结构为扩散型。
表1. PLC光波导常用材料特性 2.平面光波导工艺 以上六种常用的PLC光波导材料中，InP波导、二氧化硅波导、SOI波导和聚合物波导以刻蚀工艺制作，铌酸锂波导和玻璃波导以离子扩散工艺制作，下面分别以二氧化硅波导和玻璃波导为例，介绍两类波导工艺。 二氧化硅光波导的制作工艺如图2所示，整个工艺分为七步： 1)采用火焰水解法（FHD）或者化学气相淀积工艺（CVD），在硅片上生长一层SiO2，其 中掺杂磷、硼离子，作为波导下包层，如图2（b）所示； 2)采用FHD或者CVD工艺，在下包层上再生长一层SiO2，作为波导芯层，其中掺杂锗离 子，获得需要的折射率差，如图2（c）所示； 3)通过退火硬化工艺，使前面生长的两层SiO2变得致密均匀，如图2（d）所示。 4)进行光刻，将需要的波导图形用光刻胶保护起来，如图2（e）所示； 5)采用反应离子刻蚀（RIE）工艺，将非波导区域刻蚀掉，如图2（f）所示； 6)去掉光刻胶，采用FHD或者CVD工艺，在波导芯层上再覆盖一层SiO2，其中掺杂磷、 硼离子，作为波导上包层，如图2（g）所示； 7)通过退火硬化工艺，使上包层SiO2变得致密均匀，如图2（h）所示。 图2. 二氧化硅光波导的制作工艺 玻璃光波导的制作工艺如图3所示，整个工艺分为五步： 1)在玻璃基片上溅射一层铝，作为离子交换时的掩模层，如图3（b）所示； 2)进行光刻，将需要的波导图形用光刻胶保护起来，如图3（c）所示；
平面集成光波导器件综述
平面集成光波导器件综述 1 引言】 光纤通信网络中使用了多种光器件和光电器件.这些器件中的光学部分通常为三种结构：微光学结构、纤维光学结构和集成光学结构。1969年https://www.sodocs.net/doc/aa4347029.html,ler首先提出集成光学器件的设想，即在一个细小的基片上实现光发射、光探测、光耦合、光分支、光波分复用、光滤波、光开关等一种和几种功能，达到器件的微型化和实现高功能密度。平面光波导技术和平面微制造技术的成功结合使这一设想变为现实。历经三十年的研究开发，目前已有一些平面集成光波导器件达到了商用化。 【2 制作器件的主要材料】 制备这些光器件和光电器件的主要材料有：InGaAsP/InP、SiO2、Si、LiNbO3和某些聚合物材料。表1 给出这几种材料的基本特性。 InGaAsP/InP是其中唯一的兼有有源和无源功能的材料，因而一直是单片集成光/光电器件研究开发的首选对象。以Si光波导为基础的混合集成收发信机已商品化。Si波导除了有很好的无源光学特性外，还具备载流子控制型的光电调制特点。聚合物材料波导光开关已产品化，聚合物材料波导无源器件也已取得重大进展。SiO2波导可用于制作性能优良的无源器件，由于制备器件所必须的理论设计、技术设备、工艺水平、材料来源等均已成熟或基本成熟，因而已形成以SiO2波导平面光波导线路（PLC）为基础的光集成器件规模生产。同时SiO2波导可以实现与有源器件的混合集成。SiO2 PLC的应用价值越来越受到关注，下面主要就SiO2 PLC器件和制造方法作一些基本介绍。 【3 二氧化硅波导基本工艺】 有几种代表性的二氧化硅波导制备技术，分别是：火焰水解（FHD）＋反应离子刻蚀（RIE），化学气相沉积（CVD）＋RIE，物理气相沉积（PVD）＋RIE。其中FHD采用SiCl4、GeCl4为主要原料，通过氢氧焰提供的高温，与氧反应生成SiO2、GeO2微细粉末层，而后在1300℃左右的高温中退火形成光学薄膜，其中GeO2等作为掺杂物质控制导波的折射率。CVD采用硅烷、锗烷或SiCl4、GeCl4,通过射频源激活与氧在等离子体状态下反应形成光学薄膜。PVD以电子束蒸发或溅射方法沉积SiO2光学薄膜。RIE 对波导膜进行导波线路的刻制。薄膜必须具有高的光学质量，因为光波是平行于薄膜表面传播的，路径通常有几厘米。薄膜尤其要有很好的折射率均匀性，因为控制光传输方向的导波层折射率n+苙与覆盖层（n）的折射率的差（苙）是很小的，苙/n在一定范围是单模条件所要求的，如n＝1.46, 苙＝0.0037，由此可知， 折射率均匀性要高，否则波导的质量无法保证。 【4 二氧化硅光波导器件】 4.1 SiO2 PLC的基本单元 平面波导器件的线路可以设计得很复杂，但基本上是由以下的基本单元构成的（图1）。直条、分支、弯曲、交叉是最简单和常用的。间隙是指在波导路径上刻出一段10祄左右的空间，插入滤波片等微小元件，以提高器件的指标。耦合是相距几祄的两波导间通过模场的相互作用，使光传输路径或强度发生改变。相移单元是利用SiO2折射率的热敏特性n（T），通过局部加热电极使n改变从而改变光的有效光程也即改变相位，热光开关就是根据这一原理制作的，例如dn/dT＝1×10－5时，10mm长的波导升温6.5℃，即产生180度相移（1.55祄）。应力单元是指在一波导的附近刻出沟槽或镀膜，使该波导局部所受应力发 生变化，从而调节器件的性能。
1平面光波导技术
光波导是集成光学重要的基础性部件，它能将光波束缚在光波长量级尺寸的介质中，长距离无辐射的传输。平面波导型光器件，又称为光子集成器件。其技术核心是采用集成光学工艺根据功能要求制成各种平面光波导，有的还要在一定的位置上沉积电极，然后光波导再与光纤或光纤阵列耦合，是多类光器件的研究热点. 按材料可分为四种基本类型：铌酸锂镀钛光波导、硅基沉积二氧化硅光波导、InG aAsP/InP光波导和聚合物（Polymer）光波导。 LiNbO3晶体是一种比较成熟的材料，它有极好的压电、电光和波导性质。除了不能做光源和探测器外，适合制作光的各种控制、耦合和传输元件。铌酸锂镀钛光波导开发较早，其主要工艺过程是：首先在铌酸锂基体上用蒸发沉积或溅射沉积的方法镀上钛膜，然后进行光刻，形成所需要的光波导图形，再进行扩散，可以采用外扩散、内扩散、质子交换和离子注入等方法来实现。并沉积上二氧化硅保护层，制成平面光波导。该波导的损耗一般为0.2-0.5dB/cm。调制器和开关的驱动电压一般为10V左右；一般的调制器带宽为几个GHz，采用行波电极的LiNbO3光波导调制器，带宽已达50GHz以上。 硅基沉积二氧化硅光波导是20世纪90年代发展起来的新技术，主要有氮氧化硅和掺锗的硅材料，国外已比较成熟。其制造工艺有：火焰水解法（FHD）、化学气相淀积法（CVD，日本NEC公司开发）、等离子增强CVD法（美国Lucent公司开发）、反应离子蚀刻技术RIE多孔硅氧化法和熔胶－凝胶法（Sol-gel）。该波导的损耗很小，约为0.02dB/cm。 基于磷化铟（InP）的InGaAsP/InP光波导的研究也比较成熟，它可与InP基的有源与无源光器件及InP基微电子回路集成在同一基片上，但其与光纤的耦合损耗较大。
光波导理论与技术 大学课件
光波导理论与技术大学课件 06 年复习题 x E y x t Ay cos t1. 已知一平面电磁波的电场表达式为 c ， 写出与之相联系的磁场表达式。(提示:利用麦克斯韦尔方程，注意平面波的特点) 2E 1 2E2. 证明平面电磁波公式 E A cost kx 是波动微分方程 0 的解。 x 2 v 2 t 23. 在直角坐标系任意方向上以角频率传播的平面波为 E A exp j t k r ，根据波动方程 2 2E ，导出用角频率、电容率、导磁率0 表示平面波的传 E 0 2 0 播常数 k。 t4. ?璧ド矫娌ㄓ?E A exp j t kz 表示，求用电容率、导磁率0 表 示的该平面波传播速度。(提示:考虑等相位面的传播速度)5. 用文字和公式说明电磁场的边界条件。6. 设时变电磁场为 A xt A x sin ωt ，写出该电磁场的复振 幅表示式，它是时间的函数还是空间的函数,7. 分别写出麦克斯韦尔方程组和波动方程的时域与频域的表达式。8. 说明平面波的特点和产生的条件。9. 写出平面波在下列情况下的传播常数或传播速度表示式: 1 沿任意方向的传播速度; 2 在折射率为 n 的介质中的传播常数; 3 波矢方向与直角坐标系 z 轴一致的传播常数。10. 平面波波动方程的解如下式，说明等式右边两项中正负号和参数 k 的物理意义。 E x z ， t E e j t kz E e j t kz11. 说明制成波片材料的结构特点，如何使波片成为 1/4 波片和 1/2 波片12. 如果要将偏光轴偏离 x 轴度的线偏振光转变 成 x 偏振光，应将/2 波片的主轴设定为偏离 x 轴多大角度13. 什么是布儒斯特 起偏角,产生的条件是什么14. 光波在界面反射时，什么情况下会产生半波损失15. 如何利用全反射使线偏振光变成园偏振光,16. 什么是消逝波,产生消逝波的条件是什么,17. 什么是相位梯度,它与光波的传输方向以及介质折射率是什么关系,18. 在非均匀介质中如何表示折射率与光线传播方向的关系,19. 光纤的数值孔径表示 什么,如何确定它的大小20. 在下列情况下，计算光纤数值孔径和允许的最大入射 角(光纤端面外介质折射率n1.00): 1 阶跃折射率塑料光纤，其纤芯折射率 n1
光波导的一些基本概念
平面光波导，英文缩写PLC是英文Planar Lightwave Circuit的缩写，翻译成中文为： 平面光波导(技术)。所谓平面光波导，也就是说光波导位于一个平面内。正如大家所熟悉的单层电路板，所有电路都位于基板的一个平面内一样。因此，PLC是一种技术，它不是泛指某类产品，更不是分路器！我们最常见的PLC分路器是用二氧化硅(SiO2)做的，其实PLC技术所涉及的材料非常广泛，如玻璃/二氧化硅(Quartz/Silica/SiO2)、铌酸锂(LiNbO3)、III-V族半导体化合物(如InP, GaAs等)、绝缘体上的硅 (Silicon-on-Insulator, SOI/SIMOX)、氮氧化硅(SiON)、高分子聚合物(Polymer)等。 基于平面光波导技术解决方案的器件包括：分路器(Splitter)、星形耦合器(Star coupler)、可调光衰减器(Variable Optical Attenuator, VOA)、光开关(Optical switch)、光梳(Interleaver)和阵列波导光栅(Array Waveguide Grating, AWG)等。根据不同应用场合的需求(如响应时间、环境温度等)，这些器件可以选择不同的材料体系以及加工工艺制作而成。值得一提的是，这些器件都是光无源器件，并且是独立的。他们之间可以相互组合，或者和其他有源器件相互组合，能构成各种不同功能的高端器件，如：VMUX = VOA + AWG、WSS = Switch + AWG等(图2)。这种组合就是PLC技术的未来发展方向-光子集成(Photonic Integrated Circuit, PIC
光波导
西安邮电大学 专业课程设计报告书 院系名称：电子工程学院 学生姓名：刘寒 学号05103073 专业名称：光信息科学与技术班级：光信息1003 实习时间：2013年4月22日至2013年5月3日
课程设计题目：直波导和弯曲波导的耦合 一．课程设计的任务和要求 1. 学习使用OptiBPM软件 2. 运用BPM仿真直波导和弯曲波导的耦合 二．设计步骤 1.阅读OptiBPM提供的操作指南，了解和学习光波导的参数设置，以及各种波 导的画法。 2.先尝试画一条直波导，观察光在光波导中的能量分布，模拟出古斯汉欣位移 效应，并做出分析，选取不同的折射率观察对光能量有何影响。分析讨论古斯汉欣位移距离的量级。 3.做直波导与弯曲波导的耦合，改变波导的折射率、波导间距离、波导宽度等 参数，观察光波的传播规律。 三．仿真结果分析 1.直波导通入光后，古斯-汉欣位移效应，光波导宽度40um，纤芯折射率：3.3， 包层折射率：3.27.仿真图（图1-1）如下： 图1-1 光在波导中的光强度在波导中，从中心处向两边缘逐渐减小，可是光强的分布范围很明显大于40um的光波导宽度，多余出来的距离就是古斯-汉欣位移。所谓的古斯-汉欣位移，即就是实际的反射点与理想的反射点之间存在一定的距离D，可用公式表示为：
() 212 22 1 22 sin n n cn D -= θλ 式中，c 为常数，n1=3.3,n2=3.27,则C=0.03，λ为光波长。这个现象出现是基于实际光线都具有一定的空间谱宽，也即实际的光线由一光速构成，它们指向同一入射点，但入射角有一定的宽度?? 。接着在其他参数不改变的情况下，改变光波导的纤芯或者包层的折射率，然后再次观察古斯-汉欣位移的变化，如下 图1-2 虽然变化量很小，但依然可以看见，当包层折射率减小到3.15，古斯-汉欣位移减小了。之后再次改变纤芯的折射率到4.0，再次观察其位移的变化，与前两次 的进行比较,如图1-3 图1-3 这三次仿真结果对比，可以看出，无论纤芯的折射率还是包层的折射率的减小都会导致古斯-汉欣位移的减小。而且可以从图中看出古斯-汉欣位移的大小是um
光波导的理论以及制备方法介绍
光波导的理论以及制备方法介绍 摘要 由光透明介质(如石英玻璃)构成的传输光频电磁波的导行结构。光波导的传输原理是在不同折射率的介质分界面上，电磁波的全反射现象使光波局限在波导及其周围有限区域内传播。 光波导的研究条件与当前科技的飞速发展是密不可分的，随着技术的发展，新的制备方法不断产生，从而形成了各种各样的制备方法，如离子注入法、外延生长法、化学气相沉淀法、溅射法、溶胶凝胶法等。重点介绍离子注入法。 光波导简介如图所示为光波导结构 图表1光波导结构 如图中共有三层平面相层叠的光学介质，其对应折射率n0,n1,n2。其中白色曲折线表示光的传播路径形式。可以看出，这是依靠全反射原理使光线限制在一层薄薄的介质中传播，这就是光波导的基本原理。为了形成全反射，图中要求n1>n0,n2。 一般来讲，被限制的方向微米量级的尺度。 图表2光波导模型 如图2所示，选择适当的角度θ（为了有更好的选择空间，一般可以通过调整三层介质的折射率来取得合适的取值），则可以将光线限制在波导区域传播。 光波导具有的特点光波导可以用于限制光线传播光路，由于本身其尺寸在微米量级，就使得其有很多较好的特点： （1）光密度大大增强 光波导的尺寸量级是微米量级，这样就使得光斑从平方毫米尺度到平方微米尺度光密度增大104—106倍。 （2）光的衍射被限制 从前面可以看出，图示的光波导已经将光波限制在平面区域内，后面会提到稍微变动一下技
术就可以做成条形光波导了，这样就把光波限制在一维条形区域传播，这就限制了光波的衍射，有一维限制（一个方向），二维限制（两个方向）区分（注：此处“一维”与“二维”的说法并不是专业术语，仅仅指光的传播方向的空间自由度，不与此研究专业领域的说法相混同）。 （3）微型元件集成化 微米量级的尺寸集成度高，相应的成本降低 （4）某些特性最优化 非线性倍频阈值降低，波导激光阈值降低 综上所述，光波导本身的尺寸优势使得其有很好的研究前景以及广泛的应用范围。 光波导的分类一般来讲，光波导可以分为以下几个大类别： 图表3平面波导（planar） 图表4光纤（fiber）
光波导器件研究的新进展剖析
光波导技术课程论文题目:光波导器件研究的最新进展 院系武汉光电国家实验室专业班级硕士 01 姓名张加凯 学号 M201572516 2015年 10月 光波导器件研究的新进展 摘要 :如今, 在这个计算机技术以及通信技术被迅猛发展的时代, 光波导材料与器件作为光通信系统中的必不可少的组成部分, 自然得到了人们越来越多的重视和发展, 并且已经广泛的应用与现今的各种光通信系统中了。其中, 光开关作为光网络和数字光信息处理的核心器件, 人们对其的研究可以追溯到上个世纪六十年代。由于新的技术不断的涌现, 使得光开关的集成化和规模化得到了大大的发展,本文将主要介绍光开关的发展现状以及其研究的最新进展。 关键字 :光网络,机械光开关,电光开关,热光开关,全光开关 1. 光开关概述 光开关是一种具有一个或多个可选的传输端口并且可以对光传输线路或集成光路中的光信号进行相互转换或逻辑操作的光学器件。 1.1光开关的典型应用 光开关在光纤通信系统中的应用十分广泛。它不仅可以用来保护,测试和监控光网络的实时通信情况。还能够组成个复杂的光器件, 例如光交叉连接器 (OXC 和光分插复用器 (OADM 来完成选择不同波长的选择以及复用功能。下面将详细的介绍:
(1光开关的保护和检测功能 当光通信网络出现故障的时候, 光开关能将报错地点的光路切换到备用线路上,从而实现整个光网络的保护功能。同理,当我用来检测光网络时,可以将检测节点接入检测光路实现检测的目的。 (2光交叉连接(OXC 光开关是组成光交叉连接(OXC 的基本单元。而由光开关阵列构成的 OXC 具有带宽管理功能,同时也能对光网络起到保护和恢复的作用。 (3光分插复用器(OADM 同样,光分插复用器(OADM 也是又光开关阵列所构成,它可以在光网络的某一节点上随意复用或下载任意波长的光信号。这种强大的功能使其在光通信的复用系统中的应用十分的广泛。 1.2光开关的分类及其现状 如今的主要的光开关根据其工作原理可以分为机械光型开关, 声光型光开关, 热光型光开关,电光型光开关,全光开关。 1.2.1机械型光开关 传统的机械光开关仍是目前应用的最为广泛的光开关,它通过机械的方法将光纤移动来产生开和关的功能, 这种光开关损耗较低, 串扰较少, 而且还不受偏振和波长的影响, 但是由于这种机械的控制方法限制了光开关的体积大小, 使得其在器件集成方面受到很大的限制。而后来发展的微机电系统光开关 (MEMS 虽然在尺寸方面优化了许多, 但是长期使用后机械部分的稳定性使其在应用方面得到了限制。 1.2.2声光型光开关和热光型光开关
光波导原理及器件简介
包层n 2 芯区n 1 图1. 三层平面介质波导 图2. 矩形波导 图3. 圆光波导 图4. 椭圆光波导 光波导原理及器件简介 摘要：20世纪60年代激光器的出现，导致了半导体电子学、导波光学、非线性光学等一系列新学科的涌现。20世纪70年代，由于半导体激光器和光纤技术的重要突破，导致了以光导纤维通信、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技术的蓬勃发展，而导波光学理论是光通信技术的基础，同时也是集成光学、光纤传感等学科的基础。本文简述了光波导的原理，并着重介绍光波导开关。 关键词：光波导，波导光学，平面光波导，光波导开光 1.引言 1.1光波导的概念 波导光学是一门研究光波导中光传输特性及其应用的学科。以光的电磁理论和介质光学特性的理论为基础，研究光波导的传光理论、调制技术及光波导器件的制作与应用技术。导波光学系统是由光源、光波导器件、耦合器、光调制器及光探测器等组成的光路系统。 光波导是将光波限制在特定介质内部或其表面附近进行传输的导光通道。简单的说就是约束光波传输的媒介，又称介质光波导。介质光波导的三要素是：“芯/包”结构，凸形折射率分布（n1>n2），低传输损耗。光波导常用材料有：LiNbO3、Si 基（SiO2、SOI ）、Ⅲ-Ⅴ族半导体、聚合物等。 1.2光波导的分类 按几何结构分类，光波导可分为：平面（平板）介质波导，矩形（条形）介质波导，圆和非圆介质波导。
按波导折射率在空间的分布分类，光波导可分为：非线性光波导（n=n(x,y,z,E)），线性光波导（n=n(x,y,z)）。线性光波导又可分为：纵向均匀（正规）光波导 （n=n(x,y)），纵向均匀（正规）光波导（n=n(x,y)）。 2.光波导的原理简介 一种为大家所熟知的介质光波导就是通常具有圆形截面的光导纤维，简称为光纤。然而，集成光学所注重的光波导往往是平面薄膜所构成的平板波导和条形波导，这里，我只讨论平面光波导。 最简单的平板波导由三层材料所构成，中间一层是折射率为 n1的波导薄膜，它沉积在折射率为 n2的基底上，薄膜上面是折射率为 n3的覆盖层，一般都为空气。薄膜的厚度一般在微米数量级，可与光的波长相比较。薄膜和基底的折射率之差一般在10-1和10-3之间。为了构成真正的光波导，要求n1必须大于 n2和 n3，即 n1>n2>=n3。这样，光能限制在薄膜之中传播。 假定导波光是相干单色光，并假定光波导由无损耗，各向同性，非磁性的无源介质构成。 光在平板波导中的传播可以看作是光线在薄膜—基底和薄膜—覆盖层分界面上发生全反射，在薄膜中沿 Z 字形路径传播。光在波导中以锯齿形沿Z 方向传播，光在x 方向受到约束，而在y 方向不受约束。 在平板波导中，n1>n2且 n1>n3，当入射光的入射角θ1超过临界角θ0时： 入射光发生全反射，此时，在反射点产生一定的位相跃变。我们从菲涅耳反射公式： 出发，推导出反射点的位相跃变φTM 、φTE 为：
硅基光波导结构与器件 - 中国科学院半导体研究所机构知识
Ξ硅基光波导结构与器件 刘育梁 王启明 (中国科学院半导体研究所集成光电子学国家重点联合实验室,北京,100083) 摘要 简要评述硅基光波导的结构、工艺及其器件,包括低损耗的硅基光波导、电光波导器件、红外波导探测器、氧化硅光波回路等. 关键词 硅,光波导. 引言 硅是微电子学领域最重要的半导体材料,其工艺技术和集成电路技术得到了高度发展.将硅从微电子学领域拓展到光电子学领域,发展集电子学功能和光子学功能于一体的硅基光电子器件与回路已成为一个重要的发展趋势,吸引了越来越多的科学家和工程技术人员,并取得了一定的进展.其主要标志为:(1)SiGe Si 超晶格和多孔硅的高效光发射现象的发现和研究表明了硅基材料中确定存在着可用于实际器件制作的高效发光机制;(2)可见光范围的硅雪崩光电探测器早已投入实际应用.可望用于113Λm 光通信系统的SiGe Si 多量子阱光波导探测器也已在实验室研究成功,并开始了探测器阵列的研究;(3)硅基无源光波导器件的研究卓有成效,取得了许多实际成果.其中最重要的,一是80年代以来提出的各种结构的硅基光波导的传输损耗几乎都已降至1dB c m ,制作这些光波导大都采用常规的微电子加工工艺,这为进一步研制各种功能器件奠定了坚实的基础;二是硅上二氧化硅光波导器件与回路已逐渐推向市场. 硅基光波导器件的这种发展趋势明显地反映在重要的国际光电子期刊中,80年代中期很少看到这方面的研究论文,而到90年代初,硅基光波导器件的研究论文在这类期刊中所占比例越来越大,近期已发展到专集讨论的程度[1].目前从事硅基光波导与光电子器件研究的实验室很多,有3个实验室的工作最具连贯性,代表了现今硅基光波导器件的发展水平.它们是:N T T 光电子实验室(集中从事Si O 2平面光波导器件与回路的研究开发工作),A T &B T B ell 实验室(M u rray H ill )(主要从事Si O 2光波导与回路、Ge x Si 1-x Si 波导探测器的研究)和柏林工业大学(TUB )(从事SO I 光波导、Ge 扩散硅光波导、光开关和Ge x Si 1-x Si 波导探测器的研究工作).本文将专门就硅基光波导及器件的发展作一简要评述. 1 低损耗硅基光波导结构及工艺 1.1 外延型光波导 第15卷第1期 1996年2月 红外与毫米波学报J.Infrared M illi m .W aves V o l .15,N o.1Feb ruary,1996 Ξ
SOI光波导器件研究进展及应用
SOI光波导器件前沿研究 光电信息学院 赵正松 2011059050025 摘要：SOI(Silicon-on-insulator, 绝缘衬底上的硅)是一种折射率差大、波导传输损耗小的新型材料, SOI 基光电子器件具有与微电子工艺兼容、能够实现OEIC 单片集成等优点，近年来随着SOI 晶片制备技术的成熟,SOI 基波导光波导器件的研究日益受到人们的重视. 介绍了弯曲波导、光耦合器、可调谐光衰减器、光调制器和光开关等常见的SOI 基光波导器件的一些研究进展。 引言：光纤通讯网络中, 波分复用(WDM)是提高传输速率和扩大通讯容量的理想途径: 通过在单根光纤中多个波长的复用，可以充分利用光纤巨大的带宽资源,实现不同数据格式信息的大容量并行传输，同时又可降低对器件的超高速要求。在WDM 网络中，网际间交叉互联(OXC)，光信号上下载路(OADM)，以及波长变换等关键技术的实现使得WDM 网络具有高度的组网灵活性、经济性和可靠性。 在WDM 光网络中, 网际OXC 和节点OADM 功能是最核心的技术, 光滤波器、光耦合器、光开关、可变光衰减器、波长变换器、复用与解复用器等是最关键的器件[1]. 在基于各种材料的光波导器件中, 硅基光波导器件格外引人注目。硅基光波导材料有SOI (绝缘体上的硅)、SiO2/Si 和SiGe/Si 等多种. 硅基光波导的优势在于: 硅片尺寸大、质量高、价格低; 硅基光波导材料具有较大的折射率差, 便于缩小器件尺寸和实现平面光波回路(PLC)单片集成; 电学性能好,易于控制, 具备光电混合集成的潜力; 机械性能好, 加工方便, 可以光刻腐蚀成各种三维光波导结构; 硅的热导性和热稳定性好, 可以直接用作集成芯片的热沉,器件封装结构简单. 最重要的是硅的加工工艺与传统微电子工艺兼容, 适合低成本制作硅基光电子集成(OEIC)芯片。 本文主要研究的SOI硅基光波导材料全名为Silicon On Insulator,是指硅晶体管结构在绝缘体之上的意思，原理就是在Silicon（硅）晶体管之间，加入绝缘体物质，可使两者之间的寄生电容比原来的少上一倍。优点是可以较易提升时脉，并减少电流漏电成为省电的IC。原本应通过交换器的电子，有些会钻入硅中造成浪费。
《光波导理论与技术 李玉权版》第一、二章
——自学《光波导理论与技术李玉权版》笔记 第1章绪论 (2) 1.1 光通信技术 (2) 1.2 光通信的发展过程 (2) 1.3 光通信关键技术 (3) 1.3.1 光纤 (3) 1.3.2 光源和光发送机 (5) 第2章电磁场理论基础 (7) 2.1 电磁场基本方程 (7) 2.1.1 麦克斯韦方程组 (7) 2.1.2 电磁场边界条件 (8) 2.1.3 波动方程和亥姆霍兹方程 (10) 2.1.4 柱型波导中的场方程 (11) 2.2 各向同性媒质中的平面电磁波 (13) 2.2.1 无界均匀媒质中的均匀电磁波 (13) 2.2.2 平面电磁波的偏振状态 (13) 2.2.3 平面波的反射和折射 (15) 2.2.4 非理想媒质中的平面电磁波 (16) 2.3 各向异性媒质中的平面电磁波 (18) 2.3.1 电各向异性媒质 (18) 2.3.2 电各向异性媒质中的平面波 (18) 2.4 电磁波理论的短波长极限——几何光学理论 (22) 2.4.1 几何光学的基本方程——eikonal方程 (22) 2.4.2 光线传播的路径方程 (24) 2.4.3 路径方程解的两个特例 (25) 2.4.4 折射定律与反射定律 (28)
第1章 绪论 1.1 光通信技术 光通信的主要优势表现在以下几个方面： （1） 巨大的传输带宽 石英光纤的工作频率为0.8~1.65m μ ，单根光纤的可用频带几乎达到了200THz 。即便是在1.55m μ 附近的低损耗窗口，其带宽也超过了15THz 。 （2） 极低的传输损耗 目前工业制造的光纤载1.3m μ 附近，其损耗在0.3~0.4dB/km 范围以内，在 1.55m μ波段已降至0.2/dB km 以下。 （3） 光纤通信可抗强电磁干扰，不向外辐射电磁波，这样就提高了这种通信手 段的保密性，同时也不会产生电磁污染。 1.2 光通信的发展过程
平面光波导原理(理论)
平面光波导分路器工作原理简介The operating principle of Planar Lightwave Circuit (PLC) splitter 专业2009-12-27 10:55:40 阅读10 评论1 字号：大中小订阅 分路器作为FTTx网络的核心部件，其在无源光网络(Passive Optical Network, PON)的一个典型应用表现在以下两个方面： 1.作为下行光信号(1490nm和1550nm)的功率分配器(Power splitter)使用 2.作为上行光信号(1310nm)的合束器(Combiner)使用 详细的组网形式不是这里的讨论重点，读者可以参考相关专著(如Gerd Keiser的《FTTX Concepts and Applications》)。这里主要讨论的是分路器的工作原理和性能。 目前市场上主流的分路器主要基于两种技术形式：熔融拉锥型(Fused Biconical Taper, FBT)和平面光波导(PLC)型。同样的，两种技术形式孰优孰劣，这里不作评论。无论基于何种技术形式的分路器，都是基于1 x 2基本结构的级联而成。FBT的1 x 2结构是一耦合器，而PLC的是一Y分支结构。这个看似简单的Y分支构件，其实并不简单，因为分路器的性能优劣很大程度上就是由它决定的。如何设计一个性能优异的Y分支结构属于技术机密(Classified technology)，这里不便讨论。这里仅就基于平面光波导技术的一个Y分支结构的分路器，即1 x 2分路器的工作原理作一简介。其实也就是从物理本质上粗略地解释为什么1 x 2分路器无论是上行，还是下行信号，其插入损耗都是3 dB。 1 x 2分路器的功能结构可以用图1(a)的框图来表示：一个单模输入波导，两个单模输出波导。中间用来分束的结构有很多种，这里只给出了3种结构：图1(b)的定向耦合器型(Directional Coupler, DC)，图1(c)的无间距定向耦合器型(Zero-Gap Directional Coupler, ZGDC)，以及图1(d)的模斑转换器型(Spot Size Converter, SSC)。定向耦合器型和零间距定向耦合器型输入端都只用其中一个端口，并且无间距定向耦合器型其实是多模干涉型(Multi-Mode Interference, MMI)。现行市场上热卖的PLC分路器都是SSC型的，之所以给出另外两种，是为了进行对比分析。 首先来看图1(b)的DC，入射光在入射单模波导内只存在一个模式：基模(0阶模)。当该0阶模到达耦合区-两相互靠近的波导(间距为波长量级)时，根据超模理论(Supermode theory)，将会在耦合区激励出如图中所示的两超模(由各独立波导中的0阶模叠加而成)：偶模(even mode)和奇模(odd mode)，并且这两个超模具有几乎相等(近于简并)的传播常数。在偶模中，位于2个波导内的电场波峰是同相位；而奇模中两波峰是反相位。根据这样的相位关系，两超模叠加的场分布光功率，可以在相邻两波导中周期性的，成二次正(余)弦函数的，不断的交替变换。图中示意图为刚好等分(half = 3 dB)入射光强时的模式(FBT1 x 2分路器原理与此类同)。 再来考察图1(c)中的ZGDC，同样的入射光在入射单模波导内只存在一个模式：基模(0阶模)。虽然该结构也叫DC，但其工作模式与真正的DC完全不同。当入射0阶模到达两入射波导交叉点时，该处波导宽度突然增大一倍，其场宽也必然增大，变成另一0阶模。由于这两个0阶模不满足场的连续性条件，因此必然同时伴随着另一模式-1阶模的激发，而且1阶模的强度与0阶模相同。如是在中间宽度2w多模波导中便传输着两个模式，并且最多只有这两个模式：0阶模和1阶模(该2w波导为双模波导)。这样，在该区域内，光场分布就是这两个模式(0阶模，1阶模)的相互干涉场分布(前面提到的MMI)。图中示意图为刚好在两输出单模波导中等分(half = 3 dB)输入光强时的模式。 图1(d)就是现行市场上的PLC1 x 2分路器-Y分支。其工作原理如下：当入射单模波导内的0阶模刚到达锥形区域-SSC时，这里波导结构并无发生任何变化，因此仍然保持该0阶模的形态。当该0阶模继续在SSC中传播时，虽然波导宽度不断变宽到2w，此时该波导内可以存在两个模式(前已述)。然而，由于SSC区域变宽的很缓
光波导理论与技术
光波导 1.集成光学：1)按集成的方式划分：个数集成和功能集成;2）按集成的类型划分：光子集成回路（PIC ）和光电子集成回路（OEIC ）；3）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。 2.纤维光学（圆波导）和集成光学（平板波导、条形波导）是导波光学的两大分支。 3.传播常数β和有效折射率N=β/k 0=n 1sinθ是研究平板波导的重要参数。 4.平板波导的两种基本模式：TE 模：E y ，H x ，H z ；TM 模：H y ，E x ，E z 。 5.对称平板光波导中，基模无论如何都不截止；非对称的基模可能截止。 6.对于非对称波导，随着波长的增大，波导层厚度的减小，同阶数的TM 模先截止；对于对称波导，同阶数的TE 和TM 模一起截止。 7、一个平板光波导的波导层、衬底层和覆盖层折射率分别为1n 、2n 和3n ，若在波长λ下保持单模传输，波导层的厚度d 应在什么范围内选取？ 答案：单模传输的前提条件是非对称波导。 截止厚度计算式()()TE TE c TM TM c m d n n m d n n 22122212arctan 2arctan 2παλππαλπ???+???=?-?????+? ??=?-? 其中TE TM n n n n n n n n n n 2223221242223122312αα?-=?-????-?= ??-??? 所以TE c n n n n d n n 0222322122212arctan 2λπ??- ? ?-??=-，TE c n n n n d n n 1222322122212 arctan 2λππ????-??+ ? ?-??????=-， TM c n n n n n n d n n 0222231223122212 arctan 2λπ????-?? ?-??????=- 单模传输条件TE TE c c TM c d d d d d 01 0?<
光电子技术基础 第4章 光波导技术基础
第4章光波导技术基础 为使激光器发出的光直接或间接地为人类服务，需要将光源发出的光调制后传送到接收器，这当中最重要的是要有一种衰减尽可能小而且尽可能不失真地传输光的光路。对于光电子技术来讲，用于发光的光源和将光转换成电的探测元件作为光电子系统的“发”端与“收”端，是不可缺少的重要器件，而用于各器件间光传输的介质光波导也是极其重要的，它将光限制在一定路径中向前传播，减小了光的耗散，便于光的调制、耦合等，为光学系统的固体化、小型化、集成化打下了基础，是光电子学向集成光电子学发展的主要基础知识，也是光纤通信的重要基础知识。 传统光学中常用空气作传输介质，用透镜、棱镜、光栅等光学元件构成光路来实现光的焦、传输、转折等。但在长距离传输中，大气中的水分和气体等的吸收、水滴和粉尘等烟雾的散射等都很大，各种光学元件又存在菲涅耳反射等耗散，因而没有实用价值。也有人曾试验过气体透镜：将圆管中充满清洁的空气，四周加热，调整气体流速以保持层流，用气体温差构成气体透镜，使通过的光向中心汇聚，不致耗散，但实现起来相当困难。最终人们发现介质光波导可以用来引导光按需要的路径传播，并且损耗可以做到很小，这正如电流被限制在线路布线、电线等中传输一样。介质波导常用的有平面(薄膜)介质波导、条形介质波导和圆柱形介质波导。当工作于光波波段时，这些介质波导常称为平面光波导、条形光波导与光纤。 光纤分为阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤。阶跃折射率光纤的原理由英国的Tyndall 于1854年提出，英国的Baird与美国的Hansell于1927年申请石英光纤应用专利。向玻璃光纤输入光最早于1930年前后由德国人完成。l958年，美国的Kapany设计了细束光纤，同年美国光学公司为减少光纤包层杂散光引入第二吸收鞘；1961年美国的Snitzer研制了光纤激光器。1963年，日本的西迟等人申请了渐变折射率光纤专利，l968年日本玻璃板公司研制出产品。l970年，美国Corning公司研制出20dB／km的低损耗光纤，从此之后，各公司为实现光通信的商用化，开展了大量光学元器件和传输通路的研制。目前，光纤通信已产业化，各国都在实现光纤通信网络化。 平板与条形光波导是光学系统小型化、集成化、固体化需求下的产物。可以将光限制在低损耗的波导内传播。其起源可追溯到1910年德国的Hondros和Debye进行的电介质棒的研究。1962年前后开始了薄膜光波导的研究：当年美国的Yariv从pn结中观测到平板层中的光波导现象，l963年，Nelson等人发现了光波导电光调制现象，1965年美国的Anderson
光波导技术1
研究生课程作业封面课程名称：光波导技术基础学生姓名：王斌 学号：sc12038069 年级：2012级
刚开始接触光波导，在前两节课中，通过老师的讲解对光波导的理论进行了简单的了解。在课后的时间中，查阅相关的文献，对光波导领域中，波导激光器和集成光学的内容挺感兴趣。查阅了几篇文献，通过读文献，对波导激光器和集成光学有了一点基本的了解。这里，写一下感兴趣的综述，作为读文献的收获。我的了解比较浅显，没能很深入，还需要进一步的进行学习和研究。
光波导技术及涉及到的波导激光器一些综述 1.波导的基本介绍 波导作为信号传播的通道和器件的连接装置，是集成光学的重要组成部分，大多数的集成光学元件都是以波导为基础的。波导从结构上来讲，是一个被低折射率介质包围的高折射率区域，基于全反射原理光被限制在一个微米量级的传输区域内。通过上了两次课，老师的讲解，对波导的基本的知识，也有了大概的了解和理解，还在学习中。这里就不再进行介绍了，在课余时间对理论知识看了一些。 1.1 波导的结构和分类 波导是一个高折射率的区域，它的四周的介质低于内部的折射率，以满足全反射的条件。光通过在这种满足全反射条件的介质中传播，发生全反射以“z”字型来传播。根据对光维数限制的情况，波导可以分类为一维波导和二维波导。一维波导又称平面波导（如下图a所示），一维波导是由表面覆盖层、波导层、基质层三层折射率不同的介质层构成，满足全反射的折射率条件，覆盖层和衬底层的厚度比波导层的厚度要大的多，光线只受垂直方向（x）的限制。 二维波导是对腔内的光线进行x和z方向限制的波导。根据波导四周的介质
情况，又可以分类为脊型波导、埋层型波导和表面型波导（如上图b所示）。其中，埋层型波导和表面型波导就是传统意义的条形波导。有三个面与空气介质相接触，与基质材料相接触的有一个面，这种波导结构是脊型波导。其中，不和空气介质相接触，只和基质介质接触的波导结构，是埋层型波导。在基质材料之中制备波导，但是只有一个面与空气相接触的波导结构，是表面型波导。 波导结构按照波导形状又可以分为：光纤（圆柱形介质波导）、薄膜波导（平面波导）、矩形波导（条形波导）、带状波导。波导按照折射率来进行分类又可以分为均匀介质光波导和渐变折射率介质光波导。 1.2波导的制备方法 光波导的研究方法与当前科技的发展密不可分，随着技术的发展，新的制作方法不断的出现。波导的制备方法有很多种。这里简单的介绍几种常用的效果良好的制备波导结构的方法。 （1）载能粒子束所谓的载能粒子束法就是利用载能粒子和材料相互作用使得材料的折射率发生改变，从而制备波导结构。该方法对材料的性质影响轻微，而且该方法不受温度限制，可在任何温度下实行，可以准确的控制折射率的变化，广泛的应用于晶体、陶瓷、有机物、玻璃中。载能粒子束法可以分为离子注入式、快重离子辐照、聚焦质子束直写。主要介绍离子注入法。离子注入法使用具有一定能量的高速离子束来轰击材料表面，高速离子束通过使用高压电场加速离子获得，轰击材料表面的离子束与材料发生作用，使得离子束的能量不断减少，最后离子的能量不足以维持，就会留在材料中，这就会改变材料的折射率，从而制备出波导。离子注入制备的波导根据材料折射率变化的不同可以分为光位垒型、增强势阱型、光位垒+增强势阱型。折射率增强势阱是折射率增强的部分，光位垒是折射率降低的部分。离子注入方法主要有以下几个优势：1，适用范围广，100 多种光学材料。 2，在常温或低温下完成。 3，准确控制光波导的特征参数。4，可以形成“晶体”波导，晶体保持原有的属性。 5，重复性好。 6，可以与其它技术相结合等等。