第2期 2017年4月
微处理机
MICROPROCESSORS
No.2
Apr. ,2017
?大规模集成电路设计、制造与应用?
几种典型光子晶体波导器件及应用*
金伟华\吕金光2,王维彪2,梁中翥2,秦余欣2,梁静秋2
(1.国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心光电部，北京100083;
2.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室，长春130033)
摘要:光子晶体是一种周期性的人工微结构，由不同介电常数的材料在空间周期性排列构成。
光子晶体具有光子禁带和光子局域特性，依据光子晶体结构设计和制作的二维光子晶体器件具有微 型化、高集成度和性能优良的优点，在大规模集成光路和全光网络中具有十分重要的应用前景。重点 介绍了几种典型的二维光子晶体器件的结构特点和应用，分析了设计与制作二维光子晶体器件过程 中存在的一些关键问题与难点，并总结了该领域的研究进展和发展趋势。
关键词：光子晶体；二维光子晶体;波导；光子晶体器件;集成光学；光通信;全光网络
DOI： 10.3969/j.issn.1002 - 2279.2017.02.001
中图分类号:TN256;O431.1 文献标识码:B文章编号：1002-2279-(2017 )02-0001-07
Development of Two Dimensional Photonic Crystals and Devices Jin Weihua1,Lv Jinguang2,Wang Weibiao2,Liang Zhongzhu2,Qin Yuxin2,Liang Jingqiu2
(l.Optoelectronics Technology Invention Examination, Department, PECC, SIPO, Beijing 100083, China;
2.State Key Laboratory of Applied Optics, Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics,
Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033, China)
Abstract：Photonic crystal is a kind of artificial microstructure in which the materials with different dielectric constant arrange periodically in space.The two dimensional photonic crystals devices,designed and fabricated based on the photonic band gap and the photon localization,show the advantages of compact structure,high integration level and the excellent optical functionalities,and will play an important role in the future integrated photonic/optical circuit and all-optical networks.An overview of the development of two dimensional photonic crystals devices is presented.The key problems in designing and fabricating two-dimensional photonic crystals devices are discussed,and the progresses in this field are also presented.
Key words：Photonic crystals;Two dimensional photonic crystals；Waveguide；Photonic crystals devices；Integrated optics；Optical communication；All-optical networks
i引言
自从 1987 年 E.Yablonovich 和 S.John提出了光子晶体的概念，光子晶体就得到了国内外学者的 广泛关注和深入研究。光子晶体是一种周期性的人 工微结构，由具有不同介电常数的材料在空间按照 一定的方式周期性排列构成。光子晶体对电磁波的 调制作用和半导体晶体中周期势场对电子的调制作 用类似，当电磁波通过光子晶体时，光子晶体中有序 排列的介电结构将会使电磁波发生布拉格散射，从而使光子晶体产生能带分裂，进而出现光子带隙。当电磁波的频率正好位于光子晶体带隙区域时，电磁 波将会被晶体反射而不进入晶体。因此，光子能带之 间的光子带隙能够使人们控制光子在光子晶体中的 传输。光子带隙的产生及带隙宽度、带隙位置等性质 与光子晶体的结构、介电常数差、填充比及介质的连 通性等特征有关，产生条件较为苛刻。除了光子带隙 外，光子局域是光子晶体的另一个重要特征。如果在 光子晶体中产生介电缺陷或发生介电无序，光子晶 体中的光子就会出现光子局域。当能带区域的一个
*基金项目：国家自然科学基金(60877031)
作者简介:金伟华(1977-)，男，河北省衡水市人，博士研究生，主研方向：光电材料。收稿日期：2016-11-23
光子晶体及其应用的研究 (程立锋物理电子学) 摘要：光子晶体(PbmDftic Crystal)是一种新型的人工材料，其最显著的特点就是具有光子禁带(Photonic B锄d．G ￡lp，简称PBG)，频率落在光子禁带内的电磁波是禁止传播的，因而具有光子带隙的周期性奔电结构就称为光子晶体。近几年，光子晶体被广泛地应用于微波、毫米波的电路设计中。的滤波特性，加以优化，则可以实现带通滤波器。迄今为止，已有多种基于光子晶体的全新光子学器件被相继提出，包括无阈值的激光器，无损耗的反射镜和弯曲光路，高品质因子的光学微腔，低驱动能量的非线性开关和放大器，波长分辨率极高而体积极小的超棱镜，具有色散补偿作用的光子晶体光纤，以及提高效率的发光二极管等。光子晶体的出现使光子晶体信息处理技术的"全光子化"和光子技术的微型化与集成化成为可能，它可能在未来导致信息技术的一次革命，其影响可能与当年半导体技术相提并论。 关键词：光子晶体；算法；应用；
1光子晶体简介 在过去的半个世纪里，随着人们对电子在物质尤其是半导体中运动规律的研究，使得对电子控制能力的增加，从而产生了各种微电子器件以及大规模的集成电路。推动了电子工业和现代信息产业的迅猛发展，半导体技术在人们生活中扮演着越来越重要的角色。半导体的工作载体是电子，因此半导体的研究围绕着怎样利用和控制电子的特性。但近年来，电子器件的进一步小型化以及在减小能耗下提高运行速度变得越来越困难。人们感到了电子产业发展的极限，转而把目光投向了光子。与电子相比，以光子作为信息和能量的载体具有优越性。光子是以光速运动的微观粒子，速度快；它的静止质量为零，彼此间不存在相互作用，即使光线交汇时也不存在相互干扰：它还有电子所不具备的频率和偏振等特征。电子能带和能隙结构是电子作为一种波的形式在凝聚态物质中传播的结构，而光子和电子一样具有波动性，那么是否存在这样一种材料，光子作为一种波的形式在其中传播也会产生光子能带和带隙。近来大量的理论和实验表明确实存在这样一种材料，其典型的结构是一个折射率周期变化的三维物体，它的周期为光的波长，折射率变化比较大时，会出现类似于电子情况的光子能带和带隙。这种具有光子能带和带隙的材料被称为光子晶体。 在半导体材料中，电子在晶体的周期势场中传播时，由于电子波会受到周期势场的布拉格散射而形成能带结构，带与带之间可能存在
第31卷 第1期光 学 学 报Vo l.31,N o.12011年1月 ACTA O PT ICA SINICA January,2011 光子晶体波导慢光特性研究 曲连杰 杨跃德 黄永箴 (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 基于二维三角晶格空气孔光子晶体,通过在光子晶体单线缺陷波导两侧引入不同的耦合腔,设计了慢光特性较好的波导结构。利用平面波展开法计算波导的色散曲线,并分析慢光模式的群速度和群速度色散特性。耦合腔采用单缺陷腔时,适当调节波导宽度可以获得在零色散点群速度为0.0128c 的慢光模式,对应在1.55 m 波长处的带宽为409GH z 。耦合腔采用长轴与波导方向呈60 的双缺陷腔,在超原胞大小为4a 9b(a,b 分别为光子晶体在x ,y 方向的周期)时,通过调整波导宽度,可以获得在零色散点群速度为0.0070c 的慢光模式,对应在1.55 m 波长处的带宽为226GH z 。进一步增大沿波导方向上双缺陷腔之间的距离,可以获得在零色散点群速度为0.0011c 的慢光模式。同时可以根据具体情况选择合适的波导宽度参数,设计满足不同要求的慢光波导结构。关键词 光通信;光子晶体波导;平面波展开法;慢光;零色散点 中图分类号 T N929.11 文献标识码 A doi :10.3788/AOS 201131.0113002 Slow Light Characteristics of Photonic Crystal Waveguides Qu Lianjie Yang Yuede Huang Yongzhen (St a te K ey La bor a tor y on In tegr a ted Optoelect r onics ,Instit ute of Sem icondu ct or s , Chinese Aca dem y of S ciences ,Beijin g 100083,China ) Ab stract Based on two dimensional triangular lattic e air hole photonic crysta l,a kind of waveguide structure with good slow light charac teristics is proposed by induc ing coupled cavity on both sides of the photonic crysta l single line defected waveguides.The energy band structure,group velocity and group veloc ity dispersion characteristics of slow light mode are analyzed by plane wave expansion method.For the waveguide structure using single defec t cavity as c oupled cavity,the group velocity of 0.0128c at the zero dispersion point with the ba ndwidth of 409GHz in the 1.55 m wavelength could be obtained by appropriately adjusting the waveguide width.As for the waveguide structure using two defect cavity as coupled cavit y with the super cell of 4a 9b ,the group velocity c an reach 0.0070c at the zero dispersion point with the bandwidth of 226GHz in the 1.55 m wavelength by adjusting the waveguide width.To further increase the distance between the two defec t cavities,the slow light m ode with group velocity of 0.0011c at the zero dispersion point could be obtained.Besides,the slow light waveguide can meet different requirements by selecting the appropriate width of waveguide.Key words optica l communications;photonic crystal waveguides;plane wave expansion method;slow light;zero dispersion point OCIS codes 130.5296;060.4510 收稿日期:2010 01 01;收到修改稿日期:2010 04 20 基金项目:国家973计划(2006CB302804)和国家自然科学基金(60777028,60723002,60838003)资助课题。作者简介:曲连杰(1982!),男,硕士研究生,主要从事光子晶体方面的研究。E mail:qulianjie@https://www.doczj.com/doc/831068943.html, 导师简介:黄永箴(1963!),男,博士,研究员,主要从事半导体光电子器件方面的研究。E mail:yzhuang @https://www.doczj.com/doc/831068943.html, (通信联系人) 1 引 言 光子晶体有很多独特的性质,可以应用于各种光学器件 [1,2] 。慢光效应就是它的一个很重要的特 性,可以实现大的时间延迟 [3,4] 、增加相移 [5] 、大色散 或者零色散[6,7] 以及增强非线性效应[8,9] 等作用,在 光学延时线、全光缓存和全光可调谐开关等领域引
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；
一、绪论 1.1光子晶体的基本概念 光子晶体是由不同介电常数的介质材料在空间呈周期排布的结构，当电磁波受到调制而形成类似于电子的能带结构，这种能带结构称为光子能带。在合适的晶格常数和介电常数比的条件下，类似于电子能带隙，在光子晶体的光子能带间可出现使某些频率的电磁波完全不能透过的频率区域，将此频率区域称为光子带隙或光子禁带。人们又将光子晶体称为光子带隙材料。 与一般的电子晶体类似，光子晶体也有一维、二维、三维之分。一维光子晶体是介电常数不同的两种介质块交替堆积形成的结构。实际上，一维光子晶体已经被广泛应用，如法布里-珀罗腔光学多层的增反/透膜等。二维光子晶体是介电常数在二维空间呈周期性排列的结构。 光子晶体中存在光子禁带的物理机理是基于固体物理的布洛赫理论。 1.2光子带隙 光子在光子晶体中的行为类似于电子在半导体晶体中的行为，通过独特的光子禁带可改变光的行为。研究表明，光子带隙有完全光子带隙与不完全光子带隙的区分。所谓完全光子带隙，是指在一定频率范围内，无论其偏振方向及传播方向如何，光都禁止传播，或者说光在整个空间的所有传播方向上都有能隙，且每个方向上的能隙能互相重叠。所谓不完全光子带隙，则是相应于空间各方向上的能隙并不能完全重叠，或只在特定的方向上有能低折射率的介质在晶格中所占比率以及它们在空间的排列结构。总的来说，折射率差别越大带隙越大，能够达到的效率也就越高。 二、光子晶体的晶体结构和能带结构特性研究 2.1一维光子晶体的传输矩阵法 设一维光子晶体由两种材料周期性交替排列构成，通常称一维二元光子晶体，类似固体能带理论中的Kroning-penney模型，在空气中由A、B薄层交替构成一维人工周期性结构材料，其中A材料的折射率是na，厚度为ha，B材料的
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/831068943.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。
深圳大学研究生课程论文题目光子晶体及其器件的研究进展成绩 专业 课程名称、代码 年级姓名 学号时间2016年12月 任课教师
子晶体及其器件的研究进展 摘要：光子晶体是一种具有光子带隙的新型材料，通过设计可以人为调控经典波的传输。由 于光子晶体具有很多新颖的特性，使其成为微纳光子学和量子光学的重要研究领域。随着微加工技术的进步和理论的深入研究，光子晶体在信息光学以及多功能传感器等多个学科中也得到了广泛应用。本文介绍了光子晶体及其特征，概述了光子晶体器件的设计方法和加工制作流程，论述现阶段发展的几种光子晶体器件，并对光子晶体器件的发展趋势做了展望。 关键词：光子晶体；光子晶体的应用；发展趋势 Research progress of photonic crystals and devices Abstract：Photonic crystal is a new material with photonic band gap, which can regulate the transmission of classical wave artificially. Because it has many novel properties of photonic crystal, which is becoming an important research field of micro nano Photonics and quantum optics. With the progress of micro machining technology and theoretical research, photonic crystals have been widely used in many fields such as information optics and multifunction sensors. This paper introduces the photonic crystals and its characteristics, summarizes the design method and process of the photonic crystal devices in the production process, discusses several kinds of photonic crystal devices at this stage of development, and the development trend of photonic crystal devices is prospected. Key words：Photonic crystal; application of photonic crystal; development trend 1引言 在过去的半个世纪里，随着人们对电子在物质尤其是半导体中运动规律的研究，使得对电子控制能力的增加，从而产生了各种微电子器件以及大规模的集成电路，推动了电子工业和现代信息产业的迅猛发展，半导体技术在人们生活中扮演着越来越重要的角色。目前半导体技术正向着高速化和高集成化方向的发展，不可避免地引发了一系列问题。当信息处理的频率和信号带宽越来越高时，通过金属线传输电子会带来难以克服的发热问题和带宽限制；而线宽减小到深纳米尺度时，相邻导线的量子隧穿效应成为电子器件发展的重要瓶颈。这迫使人们越来越关注光信息处理技术，并尝试用光器件来替代部分传统电子器件，以突破上述瓶颈限制。实现这一目标的关键在于如何将光子器件尺寸降低至微纳米量级，并能与微电子电路集成在同一芯片上。 目前比较有效的方法有三种：纳米线波导，表面等离子体和光子晶体。其中，光子晶体具有体积小、损耗低和功能丰富等多种优点，被认为是最有前途的光子集成材料，称为光子半导体[1]，它是1987年才提出的新概念和新材料。这种材料有一个显著的特点是它可以如人所愿地控制光子的运动。由于其独特的特性，光子晶体可以制作全新原理或以前所不能制作的高性能光学器件，在光通讯上也有重要的用途，如用光子晶体器件来替代传统的电子器件，信息通讯的速度快得
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
第2期 2017年4月 微处理机 MICROPROCESSORS No.2 Apr. ,2017 ?大规模集成电路设计、制造与应用? 几种典型光子晶体波导器件及应用* 金伟华\吕金光2,王维彪2,梁中翥2,秦余欣2,梁静秋2 (1.国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心光电部，北京100083; 2.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室，长春130033) 摘要:光子晶体是一种周期性的人工微结构，由不同介电常数的材料在空间周期性排列构成。 光子晶体具有光子禁带和光子局域特性，依据光子晶体结构设计和制作的二维光子晶体器件具有微 型化、高集成度和性能优良的优点，在大规模集成光路和全光网络中具有十分重要的应用前景。重点 介绍了几种典型的二维光子晶体器件的结构特点和应用，分析了设计与制作二维光子晶体器件过程 中存在的一些关键问题与难点，并总结了该领域的研究进展和发展趋势。 关键词：光子晶体；二维光子晶体;波导；光子晶体器件;集成光学；光通信;全光网络 DOI： 10.3969/j.issn.1002 - 2279.2017.02.001 中图分类号:TN256;O431.1 文献标识码:B文章编号：1002-2279-(2017 )02-0001-07 Development of Two Dimensional Photonic Crystals and Devices Jin Weihua1,Lv Jinguang2,Wang Weibiao2,Liang Zhongzhu2,Qin Yuxin2,Liang Jingqiu2 (l.Optoelectronics Technology Invention Examination, Department, PECC, SIPO, Beijing 100083, China; 2.State Key Laboratory of Applied Optics, Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033, China) Abstract：Photonic crystal is a kind of artificial microstructure in which the materials with different dielectric constant arrange periodically in space.The two dimensional photonic crystals devices,designed and fabricated based on the photonic band gap and the photon localization,show the advantages of compact structure,high integration level and the excellent optical functionalities,and will play an important role in the future integrated photonic/optical circuit and all-optical networks.An overview of the development of two dimensional photonic crystals devices is presented.The key problems in designing and fabricating two-dimensional photonic crystals devices are discussed,and the progresses in this field are also presented. Key words：Photonic crystals;Two dimensional photonic crystals；Waveguide；Photonic crystals devices；Integrated optics；Optical communication；All-optical networks i引言 自从 1987 年 E.Yablonovich 和 S.John提出了光子晶体的概念，光子晶体就得到了国内外学者的 广泛关注和深入研究。光子晶体是一种周期性的人 工微结构，由具有不同介电常数的材料在空间按照 一定的方式周期性排列构成。光子晶体对电磁波的 调制作用和半导体晶体中周期势场对电子的调制作 用类似，当电磁波通过光子晶体时，光子晶体中有序 排列的介电结构将会使电磁波发生布拉格散射，从而使光子晶体产生能带分裂，进而出现光子带隙。当电磁波的频率正好位于光子晶体带隙区域时，电磁 波将会被晶体反射而不进入晶体。因此，光子能带之 间的光子带隙能够使人们控制光子在光子晶体中的 传输。光子带隙的产生及带隙宽度、带隙位置等性质 与光子晶体的结构、介电常数差、填充比及介质的连 通性等特征有关，产生条件较为苛刻。除了光子带隙 外，光子局域是光子晶体的另一个重要特征。如果在 光子晶体中产生介电缺陷或发生介电无序，光子晶 体中的光子就会出现光子局域。当能带区域的一个 *基金项目：国家自然科学基金(60877031) 作者简介:金伟华(1977-)，男，河北省衡水市人，博士研究生，主研方向：光电材料。收稿日期：2016-11-23
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
光子晶体的应用及其发展前景 光子晶体的应用及其发展前景摘要:光子晶体是一种介电常数不同的，是人工设计的由两种或两种以上介质材料排列的一维?二维或三维周期结构的晶体。一维光子晶体已得到实际应用，三维光子晶体仍处于实验室实验阶段。由于光子晶体有带隙和慢光等优良特性，所以具有广泛的应用前景。关键字:光子晶体物理基础材料制备应用 1、物理基础 (1)1987年，E.Yallonovitch 和 S.John在研究抑制自发辐射和光子局域时提出光子这概念。概念提出后，其研究经历了一个从一维、二维到三维的过程，并将带隙不断向短波方向推进。微波波段的逞隙常称为电磁带隙(ElectromagneticBand-Gap,简称为EBG)，光子晶体的引入为微波领域提供了新的研究方向。光子晶体完全依靠自身结构就可实现带阻滤波，且结构比较简单，在微波电路、微波天线等方面均具有广阔的应用前景。国外在这一方面的研究已经取得了很多成果，而国内的研究才刚刚起步，所以从事光子晶体的研究具有重要的意义。光子晶体是指具有光子带隙(Photonic Band-Gap,简称为PBG)特性的人造周期性电介质结构，有时也称为PBG结构。所谓的光子带隙是指某一频率范围的波不能在此周期性结构中传播，即这种结构本身存在“禁带”。这一概念最初是在光学领域提出的，现在它的研究范围已扩展到微波与声波波段。由于这种结构的周期尺寸与“禁带”的中心频率对应的波长可比拟，所以这种结构在微波波段比在光波波段更容易实现。相比一维二维光子晶体只能产生方向禁带，三维光子晶体能产生全方向的禁带，具有更普遍的实用性。 2、光子晶体的原理 (1)什么是光子晶体
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）
2010年第12 期 中文核心期刊 二维光子晶体波导和微腔缺陷态研究 Study two dimensional photonic crystal waveguides and defect state of micro-cavity YANG Wei-han 1,LI Wei 2,XU Yu-hua 2 (1.School of Civil and Constructive Engineering, Nanchang Institute of Technology,Nanchang 330099,China; 2.Department of science,Nanchang Institute of Technology,Nanchang 330099,China) Abstract :The paper studied the relation between two dimensional triangular lattice and square lattice photon-ic crystal band gap for TE polarization and dielectric cylinder radius,and studied distribution of two dimen-sional photonic crystal defect state.According the principle of photonic crystal waveguides,the coupling length is calculated,designed a reasonable directional coupler.Based on the coupling between waveguide and cavity,different transmission directions is selected,we can design a variety of WDM system for coupling be-tween photonic crystal waveguide and micro-cavity. Key words :photonic crystals waveguides;micro-cavity;defect state 杨维汉1，李未2，徐玉华2 （1.南昌工程学院土木与建筑工程学院，南昌330099；2.南昌工程学院理学系，南昌330099）摘要：利用二维三角晶格及正方晶格介质柱光子晶体TE 偏振的禁带与介质柱半径的变化关系，分析了 二维光子晶体缺陷态的分布。根据光子晶体波导间的耦合作用，计算其耦合长度设计合理的定向耦合 器。通过分析波导与微腔的耦合特性，选取不同的传输方向，可以设计多种基于光子晶体波导与微腔耦合的波分复用系统。关键词：光子晶体波导；微腔；缺陷态 中图分类号：TN929.11 文献标识码：A 文章编号：1002-5561（2010）12-0033-02 0引言 光子晶体是一种按一定空间周期性排列的电介质材料。在完整的光子晶体中引入线缺陷，就会形成光子晶体波导[1-2]；在光子晶体中引入点缺陷会形成光子晶体微腔[3]。束缚在光子晶体中的光波可以在波导和谐振腔中进行传输，达到选择输出光波的目的，并且，光子晶体波导和微腔是构成光子晶体集成器件的重要组成元件。因此，二维光子晶体波导和微腔缺陷态引起了人们的十分重视。 1光子晶体波导 光子晶体波导是在完整光子晶体去掉一排或者几排介质柱构成的，图1是光子晶体波导，该波导为 一个成60°角的弯曲波导。背景为空气，介质柱折射率 n =3.4，介质柱半径r =0.2a ，a 为晶格常数。以图中方框 内的介质柱为超元胞，运用平面波展开法进行计算，得到光子晶体波导TE 模色散曲线，如图2所示。从图中可以看到，阴影部分为允许带，位于该带中的频率的模式是泄漏模，带的上部分是导带，下部分为价带。光子带隙分布在归一化频率a /λ从0.261到0.450之间，其中λ为真空中的波长。由归一化频率 0.340延伸到0.446之 收稿日期：2010-07-28。 基金项目：江西省自然科学基金(2008GZW0007)资助；南昌工程学院青年基金（2010KJ020）资助。 作者简介：杨维汉（1976-），男，讲师，主要从事波导耦合方向的研究 。 图1光子晶体弯曲波导 图2光子晶体波导色散曲线 輧 輱訛
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