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.doczj.com/doc/054575359.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。
4.2几种典型的PLC器件
（1）光功率分配器件
由上述的直条波导的Y形分支集成在一起可以构成1×N的光功率分配器（N＝2，4，8，16，32）这是PLC中最基本的器件。例如波导构成1×8的分配器，最大插入损耗为10.3dB，8路输出的均匀性优于1.0dB。偏振相关损耗小于0.3dB。工作波长在1.26～1.6祄。多路数的光功率分配器将大量应用在光接入
网和CATV。光集成的功率分配器性能优良，且体积很小，实际应用中受到欢迎。
（2）Mach-Zehnder干涉仪（MZ干涉仪）
最简单的MZ干涉仪由两个3dB耦合器通过两条波导相连构成。两波导有确定的长度差芁。通常用MZ 干涉仪来实现1.31/1.55祄WDM和波长无关耦合器(WIC)。利用光刻和RIE技术可以使得芁达到亚祄的精度，从而提高干涉仪的技术指标。为了提高隔离度，通过波导间隙在输出端口可装上微形滤波片。1.3/1.55祄WDM的隔离度大于45dB，插入损耗小于1.3dB。这种WDM是单纤双向收发信机中的重要部分。WIC 在宽的波长范围内（1.25～1.56祄），两输出端的功率比与波长无关。这种功能器件可用于测试系统；与Y分支结合可形成2×N的功率分配器，其每路插入损耗与1×N器件相近。两个输入端口扩大了应用范
围。
（3）热光开关（TO Switch）
这种器件利用SiO2的热光效应制成。最简单的2×2开关结构与MZ干涉仪相近，所不同的是，连结两个3dB耦合器的波道臂上具有热光相移单元，因此干涉特性是外界可调的，当输出耦合比从1∶0变为0∶1时，即实现了光在两输出端的转换。PIRI公司（美国）生产的2×2单模热光开关的隔离度大于15dB，速度快于2ms，插损低于1.5dB。多级串连可显著提高隔离度，但加大了器件尺寸和插入损耗。例如NEL 公司（日本）的8×8开关阵的隔离度大于40dB，插入损耗近10dB。
（4）阵列波导光栅（AWG）DWDM
AWG波导芯片由N个输入条形波导、N个输出条形波导、两个片状波导（一个输入，一个输出）和一个阵列波导光栅所构成，阵列波导光栅中有数百条光波导。片状波导周围的条状波导的位置是基于凹面反射式衍射单色仪的原理确定的。阵列波导中相邻的波导条的长度差是相同的，产生一致的光波位相差。波导间隙中插入半波片用来提高偏振无关特性。AWG已有系列化的产品，具有不同的波长间隔，不同的通道数，满足ITU标准。例如NEL公司0.8nm波长间距、32通道数的AWG，串扰小于-28dB，插损为4.5dB，温度灵敏度为0.011nm/℃。AWG封装采用温度自控，以提高温度稳定性。封装尺寸为100×56×16mm。
集成的M×N AWG波分复用器是波分复用光传输系统中的有效器件。
（5）混合光集成PLC平台
目前最著名的混合光集成器件是单纤双向收发机。在硅衬底上制备SiO2波导1.3/1.55祄WDM，同时用RIE刻出LD和PD的位置。为了提高耦合效率，采用光斑尺寸变换激光器和波导光二极管探测器。这种单纤双向收发机的规模化生产可显著降低其价格，使得FTTH成为现实。NEL生产的这种收发机采用塑料外封装。出纤功率为-3dBm，跟踪误差0.5dB，响应灵敏度0.35A/W。
二氧化硅光波导技术还在不断的发展中。如掺铒波导、超低损耗波导、非线性特性、耦合封装工艺简化等等。随着技术不断改进，器件的尺寸将会更小，功能更密集。
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.doczj.com/doc/054575359.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。
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；
集成光波导 姜雨萌 12204107 集成光学是关于如何在基片上构造光器件与光网络的学科，与电子集成电路技术相类似。通常，也用集成光电子学与集成光子学来描述这个领域。光子学本身就是光学与电子学相结合产生的学科。集成光学提供将光器件与电器件组合在同一衬底上，以便制造出具有特定功能的系统或子系统知识。集成光器件的尺寸通常在光波长量级，并且具有集成电路的许多优点，如工作稳定、尺寸小以及潜在的低成本。利用集成光学技术，可以设计完整的光发送机、接收机以及中继器，通过光纤实现长距离的光互连。 电磁波主要在中间层传输，其折射率为n1。中间层通常很薄，一般小于一个微米，称为薄膜。薄膜夹在折射率分别为n2和n3的敷层与衬底之间。光线通过内全反射被束缚在中心薄膜中。只有当n2和n3都小于n1时才会发生内全反射。可求得衬底界面上的临界角为 1sin 2n n c =θ, 敷层界面上的临界角可由下式求出1 3sin n n c =θ。
中心薄膜的不均匀性也会使光产生散射从而增加损耗。为了有效地传播光信号，材料的吸收损耗必须很低。对n2=n3的对称结构，我们尤其感兴趣，因为这与光纤的结构很相似。与其类似。光纤由折射率为n1的纤芯以及折射率为n2，包围纤芯的包层组成。n3=1.0的非对称波导也比较重要，这也就是顶部露在空间的集成光路结构。这种情况下，n2是衬底的折射率。 中心薄膜的场是平面波，按角度θ向上传播，另一个以相同角度向下传播。这些波的传播因子可写成k=10n k ,其中，0k 是自由空间的传播因 子。 若被导波的净传播方向是在水平方向上。传播因子在这个方向上的分量为θθβsin sin 10n k k ==，通常称之为纵向传播因子。 折射率的定义是光在自由空间的速度与其在无界介质中的速度的比值。等效折射率eff n 等于自由空间中的光速度与波导中的相速度之比， 也就是ωβ/c n eff =。
平面光波导平面光波导分路器分路器分路器(PLC SPLITTER)(PLC SPLITTER)(PLC SPLITTER) 产品参数产品参数 2005年6月
1平面 的分类 波导分路器((PLC SPLITTER PLC SPLITTER))的分类 平面光 光波导分路器 1.1SPLITER按端口数分为以下几种： 1X4、1X8、1X16、1X32 1.2端口连接器分类为: 无、SC、FC 1.3 封装形式分类为： 盒式、裸光纤 2定义 定义 2.1 端口及尺寸定义 a. 1X4 SPLITTER b. 1X4 SPLITTER Box Type with 0.9mm or 2mm Cable c. 1X8 SPLITTER
d. 1X8 SPLITTER Box Type with 0.9mm or 2mm Cable e. 1X16 SPLITTER f. 1X16 SPLITTER Box Type with 0.9mm or 2mm Cable g. 1X32 SPLITTER
h. 1X32 SPLITTER Box Type with 0.9mm or 2mm Cable 3技术 技术要求 要求 要求 3.1 产品光学参数要求 3.1.1 测试条件：1310nm和1550nm。 3.1.2 产品光学参数应满足表1、表2的要求 表１ 参数允许偏差 （无连接器） Parameters 1 X 4 1 X 8 1 X 16 1 X 32 1 Operating Wavelength (nm) 1260－1650 2 Insertion Loss (dB) Max. 7.2 10.8 14 17.0 3 Uniformity (dB) Max. 0.6 0.8 1.2 1.7 4 Return Loss (dB) Min. 5 5 55 55 55 5 PDL (dB) Max. 0.25 0.3 0.3 0.3 6 Directivity (dB) Min. 55 55 55 55 7 Temperature Stability (-40 to 85 °C) (dB) Max. 0.6 0.6 0.8 1.0 8 Operating Temperature (℃) -40 ~ 85 9 Wavelength Dependence Loss (WDL) (dB) Max. 1.0 1.0 1.0 1.0
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絶缘体上的硅）、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
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。
光分路器 与同轴电缆传输系统一样，光网络系统也需要将光信号进行耦合、分支、分配，这就需要光分路器来实现，光分路器是光纤链路中最重要的无源器件之一，是具有多个输入端和多个输出端的光纤汇接器件，常用M×N来表示一个分路器有M个输入端和N个输出端。在光纤CATV系统中使用的光分路器一般都是1×2、1×3以及由它们组成的1×N光分路器。 1．光分路器的分光原理 光分路器按原理可以分为光纤型和平面波导型两种，光纤熔融拉锥型产品是将两根或多根光纤进行侧面熔接而成；光波导型是微光学元件型产品，采用光刻技术，在介质或半导体基板上形成光波导，实现分支分配功能。这两种型式的分光原理类似，它们通过改变光纤间的消逝场相互耦合（耦合度，耦合长度）以及改变光纤纤半径来实现不同大小分支量，反之也可以将多路光信号合为一路信号叫做合成器。熔锥型光纤耦合器因制作方法简单、价格便宜、容易与外部光纤连接成为一整体，而且可以耐孚机械振动和温度变化等优点，目前成为市场的主流制造技术。 熔融拉锥法就是将两根（或两根以上）除去涂覆层的光纤以一定的方法靠扰，在高温加热下熔融，同时向两侧拉伸，最终在加热区形成双锥体形式的特殊波导结构，通过控制光纤扭转的角度和拉伸的长度，可得到不同的分光比例。最后把拉锥区用固化胶固化在石英基片上插入不锈铜管内，这就是光分路器。这种生产工艺因固化胶的热膨胀系数与石英基片、不锈钢管的不一致，在环境温度变化时热胀冷缩的程度就不一致，此种情况容易导致光分路器损坏，尤其把光分路放在野外的情况更甚，这也是光分路容易损坏得最主要原因。对于更多路数的分路器生产可以用多个二分路器组成。 2．光分路器的常用技术指标 （1）插入损耗。 光分路器的插入损耗是指每一路输出我相对于输入光损失的dB数，其数学表达式为：Ai=-10lg Pouti/Pin ，其中Ai是指第i个输出口的插入损耗；Pouti是第i个输出端口的光功率；Pin是输入端的光功率值。 （2）附加损耗。 附加损耗定义为所有输出端口的光功率总和相对于输入光功率损失的DB数。值得一提的是，对于光纤耦合器，附加损耗是体现器件制造工艺质量的指标，反映的是器件制作过程的固有损耗，这个损耗越小越好，是制作质量优劣的考核指标。而插入损耗则仅表示各个输出端口的输出功率状况，不仅有固有损耗的因素，更考虑了分光比的影响。因此不同的光纤耦合器之间，插入损耗的差异并不能反映器件制作质量的优劣。对于1*N单模标准型光分路器附加损耗如下表所示： 分路数 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 16 附加损耗DB 0.2 0.3 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.2 （3）分光比。 分光比定义为光分路器各输出端口的输出功率比值，在系统应用中，分光比的确定是根据实际系统光节点所需的光功率的多少，确定合适的分光比（平均分配的除外），光分路器的分光比与传输光的波长有关，例如一个光分路在传输1.31 微米的光时两个输出端的分光比为50：50；在传输1.5μm的光时，则变为70：30（之所以出现这种情况，是因为光分路器都有一定的带宽，即分光比基本不变时所传输光信号的频带宽度）。所以在订做光分路器时一定要注明波长。 （4）隔离度。 隔离度是指光分路器的某一光路对其他光路中的光信号的隔离能力。在以上各指标中，
集成光波导型(AWG ) 以光集成技术为基础的平面波导型波分复用器件，具有一切平面波导的优点，如几何尺寸小、重复性好（可批量生产）、可在掩膜过程中实现复杂的支路结构、与光纤容易对准等。 目前集成波导型的波分复用器件有多种实现方案，其中以龙骨型的平面波导应用最多。它由二个星形耦合器与M 个非耦合波导构成，不等长的耦合波导形成光栅而具分光作用，两端的星形耦合器由平面设置的二个共焦阵列波导组成。如图3.2.2所示。 （1）．AWG 的优点 ①．分辨率较高。 ②．高隔离度 ③．易大批量生产。 因为具有高分辨率和高隔离度，所以复用通道的数量达32个以上；再加上便于大批量生产，所以AWG 型的波分复用器件在16通道以上的WDM 系统中得到了非常广泛的应用。 (2)．AWG 的缺点 插入衰耗较大，一般为6~11dB 。 带内的响应度不够平坦。 4．光栅型 光栅型波分复用器件属于角色散器件。当光入射到光栅上，由于光栅的角色散作用可以使不同波长的光信号以不同的角度出射，[url=https://www.doczj.com/doc/054575359.html,/]魔兽sf[/url]然后可再用自聚焦透镜把光信号会聚到不同的光纤中输出，如图3.2.3所示。 （1）．光栅型波分复用器件优点 ①．高分辨率 3.2.2图：AWG 波分复用器件
其通道间隔可以达到30GH Z以下。 ②．高隔离度 其相邻复用光通道的隔离度可大于40 dB。 ③．插入衰耗低 大批量生产可达到3~6dB，且不随复用通道数量的增加而增加。 ④．具有双向功能，即用一个光栅可以实现分波与合波功能。因此它可以用于单纤双向的WDM系统之中。 正因为具有很高的分辨率和隔离度，所以它允许复用通道的数量达132个之多，故光栅型的波分复用器件在16通道以上的WDM系统中得到了应用。 （2）．光栅型波分复用器件的缺点 ①．温度特性欠佳 其温度系数约为14pm /°C。因此要想保证它的中心工作波长稳定，在实际应用中必须加温度控制措施。 ②．制造工艺复杂，价格较贵。 5．光纤布喇格光栅型（FBG） 利用紫外线光干涉的方法可以在光纤芯中形成所谓布喇格光栅。 [url=https://www.doczj.com/doc/054575359.html,/]魔兽私服[/url]当含有多个波长的光波输入后，利用布拉格光栅就可以把某波长的光分离出来，如图3.2.4 a)所示。 利用普通的光分路器与多个光纤布喇格光栅就可以构成WDM系统使用的分波器，如图3.2.4 b)所示。 光纤布喇格光栅型波分复用器件的优点： ①．具有相当理想的带通特性，带内响应平坦、带外抑制比高； ②．温度特性较好，其温度系数可以与介质膜干涉滤波器型相媲美。
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
基于ＡＷＧ的平面光波导技术 采用平面光波導(Planar Lightwave Circuit,PLC)技术制作的阵列波导光栅(Arrayed Wave-guide Grating, AWG)是应用于光网络中的支撑技术波分复用(Wave Division Multiplexing, WDM)的重要器件。本文介绍了国内外AWG的应用现状和发展前景。 标签：平面光波导阵列波导光栅波分复用 1 平面光波导(Planar Light Circuit,PLC)技术的市场分析 伴随着光通信的发展,在金融危机影响下的亚太地区正成为全球光通信市场中最活跃的一部分,目前所面临的问题主要有:①运营商投资重心从SONET/SDH 转移到WDM的趋势将会持续高涨;②3G网络正式商用化带动了移动与固网宽带市场新旧技术的转换;③受市场驱动和政策面的影响,光纤到户(Fiber to the Home, FTTH)更加深入市场;④系统设备商们将持续兼并收购,以实现技术优势和资源整合。 基于PLC技术开发的光器件在光网络的组网中占据重要地位。波分复用(Waveguide Division Multiplexing, WDM)系统是当前最常见的光层组网技术,它通过复用/解复用器实现多路信号传输。早期的WDM系统并没有实现真正意义上的光层组网,难以满足业务网络IP化和分组化的要求,这种情况直到可重构光分插复用器(Reconfigurable Optical Add Drop Multiplexer, ROADM)的出现才得以改善。平面光波导ROADM是近年来广泛采用的ROADM子系统之一。PLC的ROADM上下路通道是彩色光,这意味着只有预定义的彩色波长可以在每个端口上下,也可以配合可调滤波器和可调激光器使用。由于PLC的集成特性,使其成为低成本的ROADM解决方案之一。目前的光波导,一般都是以玻璃、LiNbO3、GaAs 单晶等做衬底,再用扩散或外延技术制成的。PLC可以集成多种器件,例如:韩国的Byung Sup Rho等人用PLC研制的WDM双向模块[1],我国的浙江大学也研制出一种利用PLC的高集成化的PMD补偿器[2][3]。 2 AWG的结构及其工艺简介 阵列波导光栅(Arrayed Waveguide Grating, AWG)是第一个将PLC技术商品化的元器件。它是基于干涉原理形成的波分复用器件,通过集成的AWG可以实现波长复用和解复用,这种技术已被用于WDM系统中。目前平面波导型WDM器件有多种实现方案,其做法为在硅晶圆上沉积二氧化硅膜层,再利用光刻工艺(Photolithography)及反应式离子蚀刻法(RIE)制作出AWG。该类器件通路数大、紧凑、易于批量生产,但带内频响尚不够平坦。由于AWG采用与一般半导体相同的制作过程,多通道数与低通道数的制作成本相差不多,但更适合生产,而且整合度较高,因此应用在DWDM上具有相当的潜力。北美市场在2008年初呈现活跃状态,比如:美国加州的PLC设备供应商ANDevices在一月份签订协议,提供价值$13.5百万的产品给FTTH发展商Enablence Technologies Inc[4]。在我国,以PLC
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
２０１０年第３期 中图分类号：１Ｎ９２９．１文献标识码：Ａ文章编号：１００９—２５５２（加１０）０３—０１７５—０４ 平面光波导器件的发展 陈昊 （江苏信息职业技术学院，无锡２１４０００） 摘要：在光电子技术，计算机技术，通信技术迅速发展的今天，光波导材料和器件得到了越来越多的应用和发展。因此，对于光波导器件现状及发展趋势的叙述，不但对有志于在此方面研究的人具有一定参考价值，同时也是面向未来光电子产业发展的必然要求。因为当今大多器件应用平面光波导材料，所以主要对平面光波导理论进行了讨论。 关键词：非线性光学；平面波导；光波导材料 Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｐｌａｎａｒｏｐｔｉｃａｌｗａｖｅｇｕｉｄｅｍａｔｅｒｉａｌｓ ＣＨＥＮＨａｏ （ＪｉａｒｃｓｕＣｏｉｌｅ辞矿ｌｒｔｔｏｎｍＩｔｉｏａＴｅｔ妇ａｏｌｏｇｙ，ｗＩ瘟２１４０００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈｔｈｅｒａｐｉｄｄｅｖｅｂｔｌｍｃｎｔｏｆ．ｔｈｅｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ｃｏｍｐｕｔｅｒｔｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄｔｈｅｏ砌ｍｍｉｃａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅｉｎ ｔｏｄａｙ，ｏｐｔｉｃａｌｗａｖｅｇｕｉｄｅｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄｄｅｖｉｃｅａｒｅｍｏｒｅ ａｎｄｒｌｌｏｒｅｕｓｅｄａｎｄｄｅｖｅｌｏｊ）ｅｃ！．Ｔｈｕｓ，ｔｈｅｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎｓａｂｏｕｔｔｈｅｏｐｔｉｃａｌｗａｖｅｇｕｉｄｅｂａｓｅｄｔｈｅｏｒｉｅｓａｎｄｉｔｓ’ｄｅｖｉｃｅｓｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ，ｗｈｉｃｈａｌｅｕｓｅｆｕｌｆｏｒｔｈｅｒｅ９ｅａｒｃｈｅ璐．ａＩｅａｌｓｏｎｅｅｄｅｄｂｙｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｉｎｄｕｓｔｒｙｉｎｆｕｔｕｒｅ．Ｂｅｃａｕｓｅｍｏｓｔ ｄｅｖｉｃｅｓａｐｐｌｙｐｌａｎａｒｏｐｔｉｃａｌｗｅｖｅｇｕｉｄｅｍａｔｅｒｉａｌ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒｄｅｓｃｒｉｂｅｓｉｔｉｎ ｄｅｔａｉｌｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｎｏｎｌｉｎｅａｒｏｐｔｉｃｓ；ｐｌａｎａｒｗａｖｅｇｕｉｄｅ；ｗａｖｅｇｕｉｄｅｍａｔｅｒｉａｌ １光波导器件的简介 集成光学领域研究有关光波沿介质平面薄膜或介质条状薄膜传播并受其制约的各种物理现象［｜】，这些介质薄膜和介质条状薄膜就是所说的平板介质光波导和条形介质光波导。这两种光波导都可以传播光频波段的电磁能，并且可能实现单片集成光路。这种光路一旦实现，将制成光网络中的微型光学对应的器件，即各种光无源及有源器件，这些器件有非常宽的带宽，并且几乎不受自然界和人工低频电磁场的干扰。 在１９６８年Ｓｈｕｂｅｒｔ首次提出了集成光学信息处理［２１这个词。从这以后，人们开始对薄膜技术进行大量的研究。由于１９６０年世界上第一台相干振荡光源红宝石激光器的诞生，使人们成功地将激光器发出的光束耦合到了薄膜波导中去【３】，为了使激光器的特性变得更好，以及制作出能更好的与激光器耦合的光器件，人们对光学薄膜作了大量的研究。例如，基于Ｋｒｅｓｓｅｌ【４１等人的研究，制成了能在室温下工作的ＡｌｘＧａｌ．ｘＡｓ异质结激光器。Ｂｈｍ【５】等人完成了由气相外延技术制成的非常薄的Ｇａｌ．ｘＩｎｘＡｓ异质结激光器。 所有的这些努力都只有一个目的，就是实现真正意义上的光通信。自从１９７０年华裔科学家高混博士提出了损耗很低的光导纤维的概念以及美国贝尔实验室制出了可在室温下连续工作的半导体激光器后，人们就看到了光通信的发展前景是美好的，到目前为止，低损耗，可以实现各种用途的光纤制备技术已经非常成熟，而且世界上许多国家都已经将光纤用于了通信的主干网，并声称不久的将来会用光缆代替铜缆而实现全光网络哺Ｊ。但是只是实现全光纤传输并不意味着就是光通信，毕竟还要有与之对应的各种光有源和无源器件，这些器件的性能直接影响着光信号的特征。 收稿日期：２００９—１２—１５ 作者简介：陈吴（１９８２一）．本科，毕业于吉林大学，江苏信息职业技术学院助教，研究方向为微电子工艺，光电子。 ?－——１７５??—— 万方数据
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：
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
——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