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(集成光电子学导论)第三章光波导耦合器

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(集成光电子学导论)第六章常见光波导材料与结构

(集成光电子学导论)第六章常见光波导材料与结构

靠配比改变
折射率差
波导折射率与模式
n2 θc
n1
n2
sin c
n2 n1
同样厚度 的硅波导 和二氧化 硅波导哪 个能有更 多模式？
为什么通常希望 波导厚度与模使式用单模波导？
Helmholtz equation:
[ 2 xk0 2n22]U (x)0
x nclad ncore nclad
n nclad ncore
芯层/包层材 料
Ge:SiO2 /SiO2 Si/SiO2
芯层/包层折 射率差 0-0.5%
50-70%
损耗dB/cm @1550nm 0.05
0.1
3.2
inP、GaAs/ ~100%
3
空气
2.2
Ag(Ti):LiNbO 0.5%
0.5
3/ LiNbO3
1.3-1.7
都是聚合物， 0-35%
0.1
（4）半导体光电子材料，见表2
表2 主要化合物半导体及其用途
领域 微电子
光电子
材
料
GaAs、InP
GaAs
GaAs InP Sb InAs
GaAs
GaP、GaAs、GaAsP、GaAlAs、 InGaAlP
CdTe、CdZnTe、HgCdTe
InSb、CdTe、HgCdTe、PbS、 PbZnTe
衬底
GaAs GaP GaP GaP Gap
发光颜色
红 红 橙 黄 绿
波长（nm)
660 650 610 583 555
GaN
Α-Al2O3
Байду номын сангаас
蓝
490
SiC
SiC

集成光波导

集成光波导
Pin/2 Pin
Pin/2
23
Multiport splitters can be constructed by cascading 2-port couplers as indicated schematically below:
1 x 8 Coupler
24
4.6.2 有源器件
▪ 有源器件按其功能可分为两类：
21
For the ideal coupler, the coupling to port 4 (the isolated port) is zero. Thus,
10 log P4/P1 = 10 log 0 = -
22
An integrated optic power splitter is constructed with the waveguide pattern indicated below:
图4.5 对称平板波导的
模
式
图
1
4.5.1 波导色散
▪ 随波长的变化，有效折射率neff与折射率n一样会导致脉冲展
宽。在通常情况下，材料是色散的，因此波导色散与材料色 散会同时存在。
图4.5 对称平板波 导的模式图 (n1=3.6,n2=3.5 5)
2
4.5.1 波导色散
▪ 由波导色散所引起的脉冲展宽幅度与材料色散所导致的脉冲
图4.24 电光开关
26
As in the passive coupler, the power distribution is given by:
P2/P1 = cos2 (pL/2Lc) P3/P1 = sin2 (pL/2Lc) L is the interaction length and Lc is the coupling length.

光器件讲义

光器件讲义

声光效应
Incident optical beam A B
Diffracted optical beam A' B'
Acoustic wave x x
nmin nmax nmin nmax
θ
O P Λsinθ O' Q Λsinθ
θ
Λ
Acoustic wave fronts
vacoustic
nmin nmax n nmin nmax Actual n
t
t 0
色散对模拟信号光传输系统的影响
Electrical signal (photocurrent) Fiber Sinusoidal signal Emitter t f = Modulation frequency P = Input light power i Optical Input Optical Output P = Output light power o P /P o i 0.1 0.05 t 0 0 t 1 kHz 1M Hz 1 GHz f op f Photodetector 1 kHz 1 0.707 f 1M Hz 1 GHz f el Sinusoidal electrical signal
n
光纤的制造
Drying gases Vapors: SiCl 4 + GeCl4 + O 2 Fuel: H2 Burner Deposited soot Porous soot preform with hole Furnace Preform Furnace
Target rod
Deposited Ge doped SiO 2
n2 n1
O
3 2 1

(集成光电子学导论)第六章常见光波导材料与结构

(集成光电子学导论)第六章常见光波导材料与结构

芯层/包层材 料
Ge:SiO2 /SiO2 Si/SiO2
芯层/包层折 射率差 0-0.5%
50-70%
损耗dB/cm @1550nm 0.05
0.1
3.2
inP、GaAs/ ~100%
3
空气
2.2
Ag(Ti):LiNbO 0.5%
0.5
3/ LiNbO3
1.3-1.7
都是聚合物， 0-35%
0.1
不同材料矩形单模波导的宽度
SiO2：n=1.44 Ge： SiO2：n=1.45
两种波导的 优缺点？
SiO2：n=1.44
5~6 μm
220nm
30~40μm
Si： n=3.4
500nm
做出的器件尺寸大，但与光 纤耦合损耗很小
做出的器件尺寸很小，但与 光纤耦合损耗大
如希望对光纤耦合损耗小：不同材 料的光波导结构
靠配比改变
折射率差
波导折射率与模式
n2 θc
n1
n2
sin c
n2 n1
同样厚度 的硅波导 和二氧化 硅波导哪 个能有更 多模式？
为什么通常希望 波导厚度与模使式用单模波导？
Helmholtz equation:
[ 2 xk0 2n22]U (x)0
x nclad ncore nclad
n nclad ncore
平面光波导的类型
1-d 光限制
cladding core
nlow nhigh
cladding
nlow
平板波导
氧化硅、聚合物
2-d 光限制 硅、三五族
core
nlow
nhigh
cladding

集成电路科学与工程导论 第三章 集成电路晶体管器件

集成电路科学与工程导论 第三章 集成电路晶体管器件

发展趋势-摩尔定律
「按比例缩小定律」（英文：Scaling down）“比例缩小”是指，在电场 强度和电流密度保持不变的前提下，如果MOS-FET的面积和电压缩小到 1/2，那么晶体管的延迟时间将缩短为原来的1/2，功耗降低为原来的1/2。 晶体管的面积一般为栅长(L)乘以栅宽(W)，即尺寸缩小为原来的0.7倍：
仅变得越来越小，在器件结构和材料体系上也经过了多次重大变革
集成电路器件发展趋势
国际半导体技术蓝图（International Technology Roadmap for Semiconductors，ITRS）
目录
一．晶体管器件概述 二．金属-氧化物-半导体场效应晶
体管技术 三．绝缘体上晶体管技术 四．三维晶体管技术 五．其他类型晶体管器件
环栅场效应晶体管
「环栅场效应晶体管」（英文：GAAFET） 技术的特点是实现了栅极对沟道的四面包 裹，源极和漏极不再和基底接触，而是利 用线状或者片状（平板状）的多个源极和 漏极垂直于栅极横向放置，实现MOSFET 的基本结构和功能
栅极G
栅极G
硅
硅 (a)
纳米线
硅 (b)
纳米片
平面型 垂直型
互补场效应管
栅极G
n+
e-
n+
p-衬底 (a)
栅极G
n+
e-
n+
氧化物埋层（BOX）
p-衬底 (b)
优势：氧化物埋层降低了源极和漏极之间的寄生电容，大幅降低了会影响器件 性能的漏电流；具有背面偏置能力和极好的晶体管匹配特性，没有闩锁效应， 对外部辐射不敏感，还具有非常高的晶体管本征工作速度等；
挑战：存在一定的负面浮体效应；二氧化硅的热传导率远远低于硅的热传导率 使它成为一个天然“热障” ，引起自加热效应；成本高昂。

第3章光波导元器件和传感器

第3章光波导元器件和传感器
3.2.1 单模波导型功率分配器
单模波导型功率分配器包括分支波导和方向耦合器。 1、分支波导。分支波导有结构对称和非对称两种， 如图3.7所示。
长春理工大学
第3章 光波导元器件和传感器 长春理工大学
第3章 光波导元器件和传感器
在非对称结构的分支波导中的输出分支2，主要 用于功率的监控，通常可以通过改变分支角θB的 方法调整功率分配比。
第3章 光波导元器件和传感器
3.2 功率分配器
把光功率按预定比例分成两个以上输出的器 件叫功率分配器。它是光通信系统中将信号从 干线光缆分配到各用户时必不可少的器件。功 率分配器主要有单模波导型和多模波导型。
3.2.1 单模波导型功率分配器 3.2.2 多模波导型功率分配器
长春理工大学
第3章 光波导元器件和传感器
长春理工大学
第3章 光波导元器件和传感器
3.1.1 光波导棱镜
波导棱镜如图3.1所示。它是在二维波导上加 载棱镜形状的薄膜。其工作原理是遵循光在折射 率不同的两种介质的界面上反射和折射定律。值 得注意的是在薄膜棱镜的情况下，所使用的折射 率是与模对应的有效折射率。
长春理工大学
第3章 光波导元器件和传感器
长春理工大学
第3章 光波导元器件和传感器
3.3.2 各向异性晶体
在波导上加载各向异性晶体构成偏振器， 如图3.16所示。
长春理工大学
第3章 光波导元器件和传感器
当方解石的光轴与TE模的偏振光方向一致，且 nTE> ne，则TE模能在波导中传输。 TM模则由于nTM <no，则会随着导波光往方解 石中的泄漏和散射而消失。
长春理工大学
第3章 光波导元器件和传感器
图3.12 b是用波导宽度为5μm的K+离子交换单 模玻璃波导制作的1×3分支间隙渐变的方向耦合器。

光纤通信-第三节光波导的横向耦合和耦合器


( 1 . 5 5 m )
Optical fiber communications
17.03.2019
当Input1和Input2同时有能量输入，两光场频率相同，位相不同。 Output1和Output2的输出功率比值范围是很大的。
波导没有损失和反射，即输入波导的功率等于输出波导的功率。 Pin1+P1n2=Pout1+Pout2
2
Optical fiber communications
17.03.2019
若：
2 P () z p ( 0 ) c o s k z 1 1
2 P () z p ( 0 ) s i n k z 2 1
A、两波导中传输功率的变化规律是能量在两波导中周期性的转换。 B、在波导中，光功率从P2(0)=0到z=L0处最大。 /k ，转换 此时，P1(L0)=0,即光功率全部耦合进第二波导，L 0 2 长度，取不同的长度，即可改变两耦合波导的输出功率比，这就是 定向耦合器的基本原理。
0 . 7 5 P 0 . 2 5 P c o s 1 2 1
0 . 2 5 P 0 . 7 5 P c o s 1 2 2
c o s c o s 1 2
P 1 P 2 P
1 3 2 P ( 0 . 7 5 P . 2 5 P ( )p o u t1 | m a x 1 0 2) 2 2 3 1 P 0 . 2 5 P 0 . 7 5 P p o u t2 m 1 2 i n 2 3 12 2 P ( 0 . 7 5 P . 2 5 P ( ) p o u t 1| m i n 12 0 2) 2
z=0, a1(0), a2(0)
Optical fiber communications

集成光学3

– 数学上用正交函数展开，如傅立叶级数等，称之为特征模展开； – 各导波模以相应阶数模的传播常数传播； – 随着光的传播，不同模之间的相位差将发生变化，导致导波模叠 加以后的电磁场分布也随着传播过程而变化，光束像蛇一样反复 蠕动前进。
E ( x, t ) Am E ( m ) ( x) exp[ j (t b m z )]
c.c代表前一项的复共轭项，m—第m个本征值
将上式代入到 2 E y 0 (r )
2 Ey t
2
0
2 Ppert (r , t ) t 2
并应用z方向缓变近似
d 2 Am dAm b m dz 2 dz
得到：
华南师范大学
集成光学
主讲人：刘柳
2 Ppert (r , t ) dAm ( z ) ( m) jbm dz Ey ( x) exp[ j(bm z t )] c.c 0 t 2 m
导波模与辐 射模的耦合
应用实例：棱镜-波导耦合系统
实际波导总存在微小的不均匀或不规则，导波模产生与局部缺陷相应的局部场
模式耦合：一部分光功率转换到辐射模或者其它导模中去
华南师范大学 集成光学 10 主讲人：刘柳
第三章 耦合模理论
• • • • 模式耦合 横向耦合 耦合模微扰理论 导模之间的耦合 同向耦合 反向耦合 • 导模与辐射模的耦合 棱镜耦合 • 光栅耦合
( Exs ) x ，并对x从-∞到+∞进行积分 将上式两边乘以

并应用本征模场分布函数的正交性

E
( m) y
E dx
(s) x
2
bm
s ,m
s ,m 当s=m, 为1，其余为0

光波导理论


1.2.1 集成光学系统与离散光学器件(qìjiàn)系统的比较
? (1)光波在光波导中传播，光波容易控制(kòngzhì)和保持其能量。
? (2)集成化带来的稳固(wěngù)定位。
? (3) 器件尺寸和相互作用长度缩短；相关的电子器件的工作电
压也较低。
? (4) 功率密度高。沿波导传输的光被限制在狭小的局部空间，
平板波导几何光学分析 2012 年2月
集成光学(guāngxué)主要应—用—（光三纤）传感
? 光纤传感器具有抗电磁干扰和原子(yuánzǐ)辐射、重量轻、
体积小、绝缘(juéyuán)、耐高温、耐腐蚀等众多优异的性
能，能够对应变、压力、温度、振动、声场、折
射率、加速度、电压、气体等各种参数进行精确
多样，研究开发中
第二十页，共40页。
平板波基导本几平何光面学工分艺析 ，已2成012熟年2月
§1.3 集成光学(guāngxué)的发展和现状
1.3.1 发展(fāzhǎn)简史
1962 年开发(kāifā)出了第一个半导体同质结激光二极管，但其效率
较低，阈值电流较大，不能在室温下连续工作。
1967 年异质结外延生长技术的出现，拉开了半导体激光器实 用化的序幕 。
器、窄带响应集成光电探测器、路由选择
的波长变换器、快速响应光开关矩阵、低 损耗多址波导分束器等。
第十二页，共40页。平板波Leabharlann 几何光学分析2012 年2月
集成光学主要(zhǔyào)应用—（—二光）子(guāngzǐ)
? 光子(guāngzǐ)计算机：
光子计算机是一种全新的计算机，是以光子作为主要的信息载
导致较高的功率密度，容易达到必要的器件工作阈值和利用非

集成光学 集成光学、波导理论

(150007)),赵灿//制造技术与机床.―2007,(2).―7175介绍了目前基于三维光栅扫描测量标定技术的国内外发展状况,提出自由置位固定编码多目标跟踪提取连续图像轮廓的全自动标定技术,给出了此技术的具体算法实现。

利用提出的全自动标定技术,得出了相应的实验结果,并将该实验结果与利用通用的M AR R 算法得到的结果对标定精度进行了比较、分析。

结果表明,所提出的全自动标定技术使操作更加便捷,能很好地保证标定图像轮廓边缘的定位精度,使整个系统的标定精度保持在0.005~0.02mm 范围内。

图6表2参11(于晓光)TP3912007043503点阵式测头成像视觉三坐标测量系统建模=M odeling vi sion 3D coordinate measur ing system with a special probe[刊,中]/张雪飞(天津大学精密测试技术与仪器国家重点实验室.天津(300072)),彭凯//制造技术与机床.―2007,(3).―103105在透视投影和坐标变换的基础上,建立测头成像视觉三坐标测量系统的数学模型。

求解了共线、共面和空间三种点阵式测头构成的系统模型,以最简单的共线3点型点阵测头为例建立实测视觉坐标测量系统,实验结果证明了系统模型的正确性。

图4参3(于晓光)TP391TB922007043504基于机器视觉的二维小尺寸精密测量系统=Two dimensional pr ecision measurement systems based on machine vi sion[刊,中]/罗钧(重庆大学光电技术及系统国家教育部重点实验室.重庆(400030)),黄俊//计算机测量与控制.―2007,15(1).―1113设计了一种对万能工具显微镜进行改造而成的二维精密测量系统。

该系统引入了机器视觉技术进行自动测量对准,采用光栅传感器提供坐标系以检测尺寸,测量系统测量范围为25mm !25mm,测量精度可达5m 。

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Pouti
EL10lg i (dB) Pin
式中：Pouti为第i个输出口的输出功率；Pin为输 入光功率。
思考：对除星型耦合器外其他三种， 附加损耗的主要来源
Y分支
星型耦合
多模干涉
定向耦合
2. 插入损耗
插入损耗定义为指定输出端口的光功率相对全 部输入光功率的减少值。该值通常以分贝(dB) 表示，数学表达式为
• 离散能级 (能态) • 势阱越深将支持更多的能级
思考：如何设计一个分光比可调的Y 分支功分器？
思考：可 调分光可 以有什么 应用？
思考:如何制作一个1:2的耦合器？
拍长 π/kβ
Optical power
Propagation distance
3dB direction coupler
思考：这 个器件是 否与波长 有关？为 什么？
一个臂不变作为参考，然后另外 一个臂发生改变（可以利用电光 材料改变它的偏振态）然后观察 两束光能不能发生干涉
使用两个 任意结构 的3dB耦
合器连接
都可以构
成马赫泽
德干涉仪
发挥你的想象 力，看这个结 构可以用来干 什么？
让我们一起实践使用Rsoft软件来设计一个光学 传感器
先画光纤 设置监视器
右端折 射率差 0.01
思考：哪端光强 更大，为什么？
下端折 射率差 0.01
思考：继 续增大两 端折射率 差会有什 么现象
左端折 射率差 0.1
右端折 射率差 0.01
用Rsoft来尝 试验证一下
下端折 射率差 0.01
从量子力学的角度来看平板波导对光的束缚
Helmholtz equation:
哪个模式能量多？
高斯光
E1 E2
高斯光耦合进入单导有 两个模式呢？
思考：两根光纤靠得非常近是否有 损耗？
只间隔10微米
光耦合器的基本参数
1. 附加损耗
附加损耗定义为所有输出端口的光功率总和相 对于全部输入光功率的减小值。该值以分贝 (dB)表示的数学表达式为
[ 2 xk0 2n22]U (x)0
Schrödinger equation:
[21m2 xVE](x)0
x
nclad
V
ncore
?
V0
E3
nclad
E2
n nclad ncore
Vwell
E1 x
• 离散的传播常数值
• 波导越宽折射率差越大，可容纳的模 数就越多
1-d potential well (particle in a well)
Rsoft上面有个example
灰色那条应该是把default改成inactive吧老师没仔细说
D:\RSoft\examples\BeamPROP\Tutorial\Tut03\MMI.ind
是多模干涉的例子
1550 nm
1310 nm
马赫泽德干涉仪 见下一页
思考：如何用集成光电子元件实现马 赫泽德干涉仪的结构？
思考:如何制作一个1:2的耦合器？
宽的一端和 窄的一端哪 个走的能量 多？
能否用此结构，利 用分支1:2的宽度差 实现1:2分束比，为 什么？
可以通过改 变两分支宽 度比来改变 分光比，但 并不是成比 例的
使用这样 的渐变结 构是否可 行？
如果两端口尺寸完全一样折射率不 同会如何？
左端折 射率差 0.011
1 NEW新建监视 2 点击光走的路程 3 设置基模
设置完监视器 之后点运行
运行之后会有能 量分布图出来
点击 contour map 之后就 会有这个图
尽量让分出来 功率之和为1 （损耗尽量小）
再用光纤导出 可以达到
利用多模干涉可以成像 （极少数不用透镜成像）
一分为多的效果
如图
一分为三
一分为四
一分为七
由于衍射极限的 限制，(1分为7时) 会不均匀？我记 得光束可以弄得 很小 可以突破衍 射极限
多模干涉 成像有限 制：
物体要比较 小，要位于 光纤内部。 因为条件苛 刻，所以不 能广泛应用。
自映像现象
• 输出总功率为0.9070
附 加 耗 ： E L 1 0 lg 0 .9 0 7 0 (d B ) 0 .4 2 3 9 d B 1
分束比： 0.244： 0.244： 0.2095： 0.2095 0.9070 0.9070 0.9070 0.9070 =26.9%： 26.9%： 23.1%： 23.1%
I.Li 10lgPouti (dB) Pin
其中：ILi是第i个输出端口的插入损耗；Pouti是 第i个输出端口测到的光功率值；Pin是输入端 的光功率值。
什么是3dB耦合器？
3. 分光比
分光比(Coupling Ratio，CR)是光耦合器所 特有的技术术语，它定义为耦合器各输出端 口的输出功率相对输出总功率的百分比，在 具体应用中常用数学表达式表示为
(集成光电子学导论)第三章光波导耦合器
光功分器
思考：空间光学如何实现光的分束
预思考：我们学过的知识里哪用过分束器？
什么原理？
思考：集成光电子技术里可以用于 功分器的原理
Y分支
星型耦合
多模干涉
定向耦合
思考：如何将光纤中的光耦合入波 导？
球透镜耦合结构 自聚焦透镜耦合
思考：能量耦合的初略计算
• 思考：如何才能成像？ • 不用透镜能成像的手段有哪些？
物理光学：泰伯效应
这里的多模干涉也是一种不用透 镜的成像现象
思考：如何让多模干涉后的像更清 晰？
忘了。。。
干涉的条件： 波长相同，相差恒定， 振动方向相同。
从干涉的基本原理 思考
思考：多模干涉现象是否与波长有 关？
让我们一起用Rsoft软件来验证， 根据现象来思考原因
1550 nm 1310 nm
思考：这有什么用？
思考：定向耦合器是否可逆？
0.5W 0.5W
00.5.5WW
? 1W
光纤定向耦合器
思考：能否想出更简单的结构用波 导实现3dB定向耦合器？ 能
现在让我们一起基于Rsoft软件来设计这个结构
思考：这个器件是否可逆？
能 只要结构设计的好就可以
多模干涉耦合器 如果在下面位置截开，
C.R Pouti 100%
Pouti i
例如对于标准X形耦合器，1∶1或50∶50代 表了同样的分光比，即输出为均分的器件。
一起设计Y分支耦合器
最终四束光功率分别为0.244、0.244、 0.2095、0.2095
分光比和附加损耗
• 最终四束光功率分别为0.244、0.244、0.2095、 0.2095