光波导技术14-03

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平板波导应用


应用：集成光路（PLC）、光波导器件
铌酸锂晶体：具有良好的电光特性，在电光调制器中应用广泛。 InP材料：既可以制作光有源器件又可以制作光无源器件，被视 为光有源/无源器件集成的最好平台。 SOI材料：在MEMS器件中应用广泛，是光波导与MEMS混合集成的 优良平台。 聚合物波导：热光系数是SiO2的32倍，应用在需要热光调制的动 态器件中，可以大大降低器件功耗。 玻璃波导：具有最低的传输损耗和与光纤的耦合损耗，而且成本 低廉，是目前商用光分路器的主要材料。 二氧化硅光波导：具有良好的光学、电学、机械性能和热稳定性 ，被认为是无源光集成最有实用前景的技术途径。
d n0 n1 n2
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
几何光学分析

传播路径 光线分类 传播时延 时延差 数值孔径
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光线的传播路径

光线轨迹： 锯齿形折线 约束光线条件：
– 上界面全反射：θ10>θc10=arcsin(n3/n1) – 下界面全反射：θ12>θc12=arcsin(n2/n1) – 相位匹配：上下两次反射经历相移为2π整数倍 内全反射临界角： Sinθc10=n3/n1 Sinθc12=n2/n1
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均匀介质平板光波导



平面光波导是指组成光波导不同介质的折射率分布 的分界面是一些平面的光波导。 结构：y, z方向无限延伸 x方向（厚度）尺寸d接近于传输光波长量级 （数微米） 损耗1dB/cm左右 分类：
按照构成光波导的介质层数：三层、四层…平面波导 按照折射率分布：均匀（阶跃型）平面波导 非均匀（渐变折射率）平面波导
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TE模
（Ex=Ez=Hy=0）
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边值条件
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TM模
（Hx=Hz=Ey=0）
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m代表波导内的波节数目（完整的
半驻波）； m+1代表波导内的波腹数目； 波腹与波节总靠近折射率大的一侧； 当λ→0时，k0 →∞,则a2和a3 → ∞，即电磁场能完全集中于芯区， 这就是短波长情况。
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3. 平板光波导
参考书：《导波光学》 范崇澄 《光波导理论》 吴重庆
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光波导的分类

按光波导形状分类 光纤（圆柱形介质波导） 薄膜波导（平板波导） 条形波导（矩形波导) 带状波导 按折射率分布分类 均匀介质光波导 渐变折射率介质光波导
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平板波导制作工艺

工艺：薄膜成型法（离子扩散、晶体生长、刻蚀）
以二氧化硅光波导为例： 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； 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； 3)通过退火硬化工艺，使前面生长的两层SiO2变得致密均匀； 4)进行光刻，将需要的波导图形用光刻胶保护起来； 5)采用反应离子刻蚀（RIE）工艺，将非波导区域刻蚀掉； 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； 7)通过退火硬化工艺，使上包层SiO2变得致密均匀。
+ tan −1
α3
+mπ
π
2 α −1 α 3 = tan −1 2 φ= , tan 令 φ3 2 kx kx φ2 + φ3 φ2 − φ3 ,φ 则k x = 2a 2 由于n2 > n3 , 故α 2 < α 3 , φ2 < φ3 当m = 0时， 波腹位置 φ2 − φ3 a<0 −a = < xm φ2 + φ3
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光线分类
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传播时延及时延差
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波动光学分析

ΤΕ/ΤΜ模 传播模和辐射模 截止参数 单模传输和模式数目 导波场分布 对称平板波导 本地平面波解释
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以玻璃光波导为例： 1)在玻璃基片上溅射一层铝，作为离子交换时的掩模层； 2)进行光刻，将需要的波导图形用光刻胶保护起来； 3)采用化学腐蚀，将波导上部的铝膜去掉； 4)将做好掩模的玻璃基片放入含Ag+－Na+离子的混合溶液中，在适 当的温度下进行离子交换，Ag+离子提升折射率，得到沟道型光 波导； 5)对沟道型光波导施以电场，将Ag+离子驱向玻璃基片深处，得到 掩埋型玻璃光波导。
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传播模和辐射模
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模式分类
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导波场分布
E1 y E1 cos(k x x − φ ) = k x (2a ) tan −1
α2
kx kx α α 1 1 φ tan −1 2 − tan −1 3 2 kx 2 kx 波节：k x x − φ = pπ 波腹：k x x − φ = pπ +
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二氧化硅波导工艺中的几个关键点： 1)材料生长和退火硬化工艺，要使每层材料的厚度和折射率均匀且准确， 以达到设计的波导结构参数，尽量减少材料内部的残留应力，以降低波导 的双折射效应； 2)RIE刻蚀工艺，要得到陡直且光滑的波导侧壁，以降低波导的散射损耗； 3)RIE刻蚀工艺总会存在Undercut，要控制Undercut量的稳定性，作为布版 设计时的补偿依据。
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衬底材料及波导结构

衬底材料：玻璃、电光晶体、半导体材料
常用的6种：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
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分析方法



射线光学理论 & 波动光学理论。 射线光学理论： 优点：对平板波导的分析过程简单直观，对某些物理概念 能给出直观的物理意义，容易理解。 缺点：对于结构复杂的多层波导射线光学理论不便于应用 ，或只能得出粗糙的结果。 波导光学理论： 能够全面、正确地分析各种结构的光波导的模式特性。 分析重点：平面光波导最重要的概念是模式，包括模式场 分布与相移常数（波动项）。 方法：利用分离变量法，求解模式场函数的本征值方程。
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麦克斯韦方程组化简
ψ ( x, y , z ) e 对于单色波，任一场分量 Φ ( x, y, z , t ) =
由麦克斯韦方程组可得： ∂D ∇×H = ∇ × H=jωε E ∂t ⇒ ∇ × E = − jωµ0 H ∇ × E = − ∂B ∂t ex ey ez 直角坐标系下： ∂ ∂ ∂ ∇× F = ∂x ∂y ∂z Fx Fy Fz 光波导技术
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jωt
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麦克斯韦方程组标量形式
在直角坐标系中研究，
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均匀平板波导中麦克斯韦方程组
由麦克斯韦方程组可知，Ez和Hz分别出现在两组方程中，互不关联， 故平板波导中不存在EH或HE模。
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3.1 阶跃型平板光波导
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三层均匀介质平板光波导

折射率：覆盖层、芯区、衬底分别为：
n0、n1、n2，且n1 > n0 ≥ n2

芯区和衬底折射率差一般在 10−3 ~ 10−1 对称波导: n2 = n0 非对称波导: n2 = n0