(集成光电子学导论)第六章常见光波导材料与结构
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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13sin 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 =。
等效折射率是在中心薄膜材料与其外层材料的折射率之间取值。
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。
光波导原理与器件 pdf1 光波导原理与器件概述光波导器件是指使用光波导技术制作的光学器件,其中的光波导是指利用材料中的反射率差,将光线引导至其它位置的一种光学引导结构。
通过这种方式,可以对光的传输进行有效的控制,因此光波导器件在光通信、光计算、光储存等领域有广泛应用。
2 光波导原理2.1 光波导的基本特点光波导是利用介质的光学性质来引导光线传输的结构。
光波导具有以下基本特点:- 包含一定的光波导结构,可以固定或调整光的位置和方向。
- 光波导结构必须能够比周围介质具备较高的折射率。
- 光的传输速度决定了光波导的尺寸,因此其相对于微观器件较大。
2.2 光波导的工作原理光波导的工作原理基于光的反射和折射原理。
当光线遇到介质表面的变化时,存在反射、折射和透射三种情况。
其中反射光在界面内传播,而折射光从界面上进入另一种介质中传播。
在光波导器件中,折射率高的材料被用作光波导,通常是通过将光束引导至介质的边界或者将光波导区域中的介质密度改变,使得光光束被抑制在其中,并且可以沿着这些通路传播。
3 光波导器件3.1 基于硅的光波导器件基于硅的光波导器件是最常用的光波导器件之一,主要应用于光电子集成电路和光纤通信中。
此类器件通高度制备工艺的要求,但其表现出的稳定性、实用性和成本优势得到了充分的认可。
该光波导器件的工作原理是将光束通过集成光波导引导到芯片上,同时光波导上的金属导线和其他器件可以与其相互作用,使得光子在电信号控制下具备更高的能量,可以实际应用。
这种器件被广泛用于光速转换、光遗传学、激光雷达、安全监控等领域。
3.2 其他光波导器件除了基于硅的光波导器件外,还有许多其他类型的光波导器件,例如光导纤芯、有机光波导器件等。
光导纤芯是另外一种基于光波导原理制作的光学器件,其结构类似于光纤,但其光导芯中注入高折射率材料,使得光波可以在其中定向和转移。
这种器件由于可以弯曲和弯曲裂缝,因此被广泛应用于光学传感、光纤通信和微模工艺制造等方面。