光波导的理论以及制备方法介绍
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）
图表5条形波导（channel）
图表6脊型波导（ridge）
上面介绍了几大类光波导形式，实际上这只是基本的几种形式，每一种都可以加以变化以适应不同环境及应用的需求。比如将条形光波导做成分叉形状可以制成“Y”型波导用于分开传播信号，甚至可以与电学性质结合做成光开关元件等等。
光波导的应用前景光波导本身由于是多方面科学的集成，所以其研究以及应用范围也是很广泛的小型紧凑的波导结构，有利于实现光路的集成。光波在波导中的传输、耦合以及与外场相互作用引起的各种物理现象，是集成光路设计和制造的基础。如今已经是叫做集成光子学。应用范围：
波导激光器：谐振腔内激光传播和振荡的模式由波导理论来确定的激光器。固体、液体、气体、半导体等工作物质都可以做成波导激光器，其中较为成熟的是CO2波导激光器。CO2激光器的波导管是内径很细(约1mm)、内表面很光滑的空心导管，可以是圆形或方形，通常用氧化铍(BeO)陶瓷做成。波导管只允许低阶模通过，对高阶模的损耗很大，故输出激光的光束质量很好。
光波导放大器：是一种应用于城域网和局域网通信的光放大器,它尺寸小、易于集成、能在特定节点提供适中的增益。
光无源器件：光无源器件是光纤通信设备的重要组成部分，也是其它光纤应用领域不可缺少的元器件。具有高回波损耗、低插入损耗、高可靠性、稳定性、机械耐磨性和抗腐蚀性、易于操作等特点，广泛应用于长距离通信、区域网络及光纤到户、视
频传输、光纤感测等等。
光子集成器件：
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。
光孤子：光孤子通信具有以下特点：（1）容量大：传输码率一般可达20Gb/s，最高可达100Gb/s以上；（2）误码率低、抗干扰能力强：基阶光孤子在传输过程中保持不变及光孤子的绝热特性决定了光孤子传输的误码率大大低于常规光纤通信，甚至可实现误码率低于10－12的无差错光纤通信；（3）可以不用中继站：只要对光纤损耗进行增益补偿，即可将光信号无畸变地传输极远距离，从而免去了光电转换、重新整形放大、检查误码、电光转换、再重新发送等复杂过程。
光子晶体：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。微波波段的逞隙常称为电磁带隙（Electromagnetic Band-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。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。光子晶体近期在国际上的应用进一步深化，具体表现在：1,与纳米技术相结合，用于制造微米级的激光，硅基激光；2，与量子点结合，使得原子和光子的相互作用影响材料的性质，从而达到减小光速、减小吸收等作用；3,光子晶体光纤应用。普遍认为，光子技术将续写电子技术的辉煌，光子晶体将成为未来所依赖的新材料。
…….
制备方法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，其中下面主要列举一些：
离子交换：借助于固体离子交换剂中的离子与稀溶液中的离子进行交换,以达到提取或去除溶液中某些离子的目的,是一种属于传质分离过程的单元操作。离子交换法制作光波导的理论基础，属于光通信技术领域，涉及光波导技术。在使用离子交换法制作光波导的过程中，折射率是形成波导的关键条件。该理论的核心内容就是阐述了是离子交换中的哪些因素以及这些因素又是怎样来影响折射率的增加和减小的。其具体内容主要有以下两点：１．折射率与交换离子的原子大小尺寸有关；２．与电子位移极化率有关。
离子注入：具有在任意温度下对离子注入的剂量和深度可以精确控制，从而改变材料表面性质的优越性，引起了人们的广泛关注。离子注入法是较新的一种形成光波导的技术, 与这几种传统的波导制作方法相比, 离子注入法具有以下独特的优点: 1) 注入的离子可任意选择, 不受化学组分的限制; 2) 离子注入可在各种温度下进行; 3) 离子注入的深度和注入剂量(影
响折射率的变化) 可以精确地控制, 能够有目的地形成各种分布; 4) 离子注入法具有可靠的重复性等。如利用离子注入制备光学晶体的脊形光波导的方法，该方法离子注入、光刻胶掩膜制备和Ar离子束刻蚀。采用能量为2.0-5.0MeV的离子注入到光学晶体的表面，在形成的平面光波导上制备掩膜，用Ar离子束进行刻蚀，能够在光学晶体表面形成脊形光波导；用氧离子和硅离子等注入铌酸锂和偏硼酸钡等非线性光学晶体能够形成增加型的脊形光波导；用氦离子或者氢离子注入多数光学晶体能够形成位垒型脊形光波导。所形成的脊形光波导可以保持较好的非线性光学特性。脊形光波导的厚度、脊背的宽度、深度以及导波模式可以由工艺参数控制。再如用能量为2. 8M eV、剂量为1. 4×1016 ion? cm 2 的He+ 在室温(300 K) 下注入到晶体材料L iTaO 3 中, 形成了离子注入平板光波导。用棱镜耦合法观察和测量了L iTaO 3 波导导模的分布,并对退火前后的L iTaO 3 波导的折射率分布进行了计算和比较。利用背散射?沟道技术分析了由于He+ 的注入而引起的波导表面的损伤。
溅射：
外延生长：
化学气相沉积：是反应物质在气态条件下发生化学反应，生成固态物质沉积在加热的固态基体表面，进而制得固体材料的工艺技术。它本质上属于原子范畴的气态传质过程。其特点有：1)在中温或高温下，通过气态的初始化合物之间的气相化学反应而形成固体物质沉积在基体上。2)可以在常压或者真空条件下(负压“进行沉积、通常真空沉积膜层质量较好)。3)采用等离子和激光辅助技术可以显著地促进化学反应，使沉积可在较低的温度下进行。4)涂层的化学成分可以随气相组成的改变而变化，从而获得梯度沉积物或者得到混合镀层。5)可以控制涂层的密度和涂层纯度。6)绕镀件好。可在复杂形状的基体上以及颗粒材料上镀膜。适合涂覆各种复杂形状的工件。由于它的绕镀性能好，所以可涂覆带有槽、沟、孔，甚至是盲孔的工件。7)沉积层通常具有柱状晶体结构，不耐弯曲，但可通过各种技术对化学反应进行气相扰动，以改善其结构。8)可以通过各种反应形成多种金属、合金、陶瓷和化合物涂层。
溶胶凝胶：它可以在低温下制备光波导，在制作光波导的伺时，还可以掺入非线性光学材料。采用溶胶-凝胶技术与化学修饰相结合的方法,制备了具有紫外感光特性的SiO2/Al2O3溶胶及其凝胶薄膜,并通过在溶胶中加入聚乙二醇使其形成有机-无机复合结构,经一次提拉制
膜就可获得18μm厚的感光性凝胶薄膜.利用薄膜自身的感光性,使紫外光通过掩模照射薄膜,再经过溶洗和200℃、1h的热处理,就可获得厚度达到15μm、线宽约为100μm的波导阵列. 激光直写：利用光纤激光器对平面波导的芯层进行直写,结合后续的化学腐蚀工艺得到了SiO2-TiO2条形光波导,并着重研究了激光直写波导过程中存在的功率密度阈值以及阈值随薄膜预热处理温度的变化关系。研究结果表明,激光直写SiO2-TiO2波导存在起始收缩阈值和烧蚀损伤阈值；随着薄膜热处理温度的提高,两个阈值同时增大,其中损伤阈值的增大趋势要大于收缩阈值；因而薄膜可承受的直写光斑直径变小,所得波导宽度显著减小。最后对直写制得条形光波导的导光性能作了测试分析,验证了波导的三维导光性。
从上面列举的几个可以看出来，利用掺杂来改变介质的折射率的方法应用较多，并且不同的方法也有相应的优势（如图7所示，不同的制备方法形成的折射率分布不同，从而在不同的应用领域有相应的优势），当然，由于一定的历史背景，也使得有的制备方法的优势已经不再突出，但是思想也是很好的。
图表7多种技术制备的波导折射率分布对比
现在离子注入的方法应用和研究较多，并且发展也相对成熟，下面着重介绍离子注入方法。离子注入可以改变固体表面及近表面的特性，是近代科学史上的重大发现，离子注入光波导是核技术与材料科学、信息科学交叉的新领域。
简单来讲离子注入就是将重离子或者轻离子（技术及性质有一定差别，所以分开说）加速后注入事先制作好的晶体或者其他物质中，以引起注入位置的性质（包括折射率）有一定分布。对于光波导制备来讲，离子注入方法主要有以下几个优势，
1，适用范围广，100 多种光学材料。
2，在常温或低温下完成。
3，准确控制光波导的特征参数。
4，可以形成“晶体”波导，晶体保持原有的属性。
5，重复性好。
6，可以与其它技术相结合等等。
（1）平面波导的制备，如图8：
图表8平面波导的制备
从图7可以看出，对于一定介质使用轻离子注入，折射率是要下降的，但下降的范围距离表面一定距离有一个地方下降激烈，将形成一个光位垒（上图颜色较浅区域表示出），这样就将波导区的光波限制在波导区。具体例子可以参看下图：
图表9折射率分布
上面的例子是对应注入离子后引起折射率下降的情况的（一般对应重离子注入情况），下面是对应注入离子后引起折射率上升的应用及制备方法：
图表10光势阱增强型波导
不同之处就在于注入过的离子的区域就充当波导区同时我们从图7可以看出，在分布曲线末端折射率是下降的，这样就更有利于将光波限制在注入区域形成波导区。举例数据：
图表11Si-Silicate glass
（2）混合型光波导的制备从上面可以看出，两种方式各有不同，那么现在将两种方法结合在一起使用，能做出性能更好的光波导：
图表12混合型光波导的制备
不难看出，这主要是将二者结合让重离子主要分布在波导区引起折射率上升，而轻离子主要分布在位垒区，用于降低折射率，这样就能跟好的将光波限制在波导区传播，从而减少能量散失。不过此技术的难点也在于距离的把握上，这就要求分辨率更高可操作性更高的仪器设备。
（3）条形光波导光波导还有一种应用广泛的方式：条形光波导
条形光波导可已经光波限制在条形区域内，这样可以更好的控制光波的传播路径，将光刻技术对于此起到了很大作用，如图：
图表13条形光波导的制备
如图13所示，先准备制备的材料，然后在上面铺上一层光刻胶（分为正光刻胶和负光刻胶，所起的作用有所不同），用要刻得末班设置形状，将一部分光刻胶融掉（用光照射的方式是光刻胶进行化学反应），形成3所示，这样就形成一定图案，经过显影，洗掉未曝光的光刻胶，再对已经曝光的部分一系列处理形成能阻挡离子注入到材料内部的部分，最后如4所示进行离子注入，由于处理后的阻挡，所以离子只是注入到了未被阻挡的部分，形成光波导。这个同样也可以使用混合的方式制备条形光波导。
上面介绍了通过离子注入方式进行条形光波导与平面光波导的制备方法，实际上还有很多种形式，只是这些是基本的方式，不再赘述。
参考文献：Feng Chen*, Xue-Lin Wang, Ke-Ming Wang Development of ion-implanted optical waveguides in optical materials: A review Optical Materials 29 (2007) 1523–1542
如有问题请联系mathdyx@https://www.wendangku.net/doc/5317215030.html,。
1平面光波导技术
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。
光波导
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
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
光波导的一些基本概念
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
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）
北邮博士研究生招生参考书目
北京邮电大学2011年博士研究生招生参考书目 1101英语（无参考书目） 2201概率论与随机过程 1、《概率论·数理统计·随机过程》（第1～5章，第10～12章），胡细宝、孙洪祥、王丽霞，北京邮电大学出版社（第1版） 2、《随机过程》孙洪祥，机械工业出版社，2008 3、《概率论与随机过程》王玉孝,孙洪祥，北京邮电大学出版社，2005 2202数值分析 1、《数值分析（第5版）》李庆杨等，清华大学出版社，2010年 2、《数值分析基础》关治等，高等教育出版社 1999年 3、《高等数值分析》蔡大用、白峰杉，清华大学出版社 2000年 2203高等代数 1、《高等代数》（第二版）北京大学数学系几何与代数教研室代数小组编，高等教育出版社 2、《线性代数》（第二版）居余马等编，清华大学出版社 2204数学物理方法 1、《数学物理方法》（第2版）郭玉翠编着，清华大学出版社，2006年12月。 2、《数学物理方法学习指导》（第1版）郭玉翠编着，清华大学出版社，2006年2月。 3、《数学物理方法》（第2版）梁昆淼编，高等教育出版社，1978年7月。 4、《矢量分析与场论》（第二版）谢树艺编，高等教育出版社，1985年3月。 2205近世代数 1、《近世代数及其应用(第二版)》阮传概，孙伟，北京邮电大学出版社，2005年。
2、《近世代数基础》张禾瑞，高等教育出版社，2006年 3、《应用近世代数(第二版)》胡冠章，清华大学出版社，2004年。 2206离散数学 1、《Discrete Mathematics and its Applications》第6版，K.H.Rosen，机械工业出版社，2008年。 2、《Applications of Discrete Mathematics》（Updated Edition） John G. Michaels，Kenneth H. Rosen，McGraw-Hill Companies, Inc，2007。 3、《离散数学结构》第五版，Bernard Kolman, Robert C. Busby, Sharon Cutler Ross，高等教育出版社2005年。 4、《离散数学》陈崇昕等，北京邮电大学出版社，1992年 5、《数理逻辑与集合论》（第2版）石纯一等，清华大学出版社，2000年 6、《图论与代数结构》戴一奇等，清华大学出版社，2003年 2207数理统计 1、《概率论与数理统计》盛骤等编，高等教育出版社。 2、《数理统计》赵选民等编，科学出版社。 3、《概率论与数理统计习题解析》姜炳麟等编，北京邮电大学出版社。 3301现代控制理论 《现代控制理论》刘豹，机械工业出版社，1999年5月第2版。 3302机器人技术 1、《机器人学》（第二版）蔡自兴，清华大学出版社，2009年9月 2、《机器人学基础》蔡自兴，机械工业出版社，2009年5月 3303电接触理论与应用
光波导原理及器件简介
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：
《光波导理论与技术 李玉权版》第一、二章
——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
平面光波导原理(理论)
平面光波导分路器工作原理简介The operating principle of Planar Lightwave Circuit (PLC) splitter 专业2009-12-27 10:55:40 阅读10 评论1 字号：大中小订阅 分路器作为FTTx网络的核心部件，其在无源光网络(Passive Optical Network, PON)的一个典型应用表现在以下两个方面： 1.作为下行光信号(1490nm和1550nm)的功率分配器(Power splitter)使用 2.作为上行光信号(1310nm)的合束器(Combiner)使用 详细的组网形式不是这里的讨论重点，读者可以参考相关专著(如Gerd Keiser的《FTTX Concepts and Applications》)。这里主要讨论的是分路器的工作原理和性能。 目前市场上主流的分路器主要基于两种技术形式：熔融拉锥型(Fused Biconical Taper, FBT)和平面光波导(PLC)型。同样的，两种技术形式孰优孰劣，这里不作评论。无论基于何种技术形式的分路器，都是基于1 x 2基本结构的级联而成。FBT的1 x 2结构是一耦合器，而PLC的是一Y分支结构。这个看似简单的Y分支构件，其实并不简单，因为分路器的性能优劣很大程度上就是由它决定的。如何设计一个性能优异的Y分支结构属于技术机密(Classified technology)，这里不便讨论。这里仅就基于平面光波导技术的一个Y分支结构的分路器，即1 x 2分路器的工作原理作一简介。其实也就是从物理本质上粗略地解释为什么1 x 2分路器无论是上行，还是下行信号，其插入损耗都是3 dB。 1 x 2分路器的功能结构可以用图1(a)的框图来表示：一个单模输入波导，两个单模输出波导。中间用来分束的结构有很多种，这里只给出了3种结构：图1(b)的定向耦合器型(Directional Coupler, DC)，图1(c)的无间距定向耦合器型(Zero-Gap Directional Coupler, ZGDC)，以及图1(d)的模斑转换器型(Spot Size Converter, SSC)。定向耦合器型和零间距定向耦合器型输入端都只用其中一个端口，并且无间距定向耦合器型其实是多模干涉型(Multi-Mode Interference, MMI)。现行市场上热卖的PLC分路器都是SSC型的，之所以给出另外两种，是为了进行对比分析。 首先来看图1(b)的DC，入射光在入射单模波导内只存在一个模式：基模(0阶模)。当该0阶模到达耦合区-两相互靠近的波导(间距为波长量级)时，根据超模理论(Supermode theory)，将会在耦合区激励出如图中所示的两超模(由各独立波导中的0阶模叠加而成)：偶模(even mode)和奇模(odd mode)，并且这两个超模具有几乎相等(近于简并)的传播常数。在偶模中，位于2个波导内的电场波峰是同相位；而奇模中两波峰是反相位。根据这样的相位关系，两超模叠加的场分布光功率，可以在相邻两波导中周期性的，成二次正(余)弦函数的，不断的交替变换。图中示意图为刚好等分(half = 3 dB)入射光强时的模式(FBT1 x 2分路器原理与此类同)。 再来考察图1(c)中的ZGDC，同样的入射光在入射单模波导内只存在一个模式：基模(0阶模)。虽然该结构也叫DC，但其工作模式与真正的DC完全不同。当入射0阶模到达两入射波导交叉点时，该处波导宽度突然增大一倍，其场宽也必然增大，变成另一0阶模。由于这两个0阶模不满足场的连续性条件，因此必然同时伴随着另一模式-1阶模的激发，而且1阶模的强度与0阶模相同。如是在中间宽度2w多模波导中便传输着两个模式，并且最多只有这两个模式：0阶模和1阶模(该2w波导为双模波导)。这样，在该区域内，光场分布就是这两个模式(0阶模，1阶模)的相互干涉场分布(前面提到的MMI)。图中示意图为刚好在两输出单模波导中等分(half = 3 dB)输入光强时的模式。 图1(d)就是现行市场上的PLC1 x 2分路器-Y分支。其工作原理如下：当入射单模波导内的0阶模刚到达锥形区域-SSC时，这里波导结构并无发生任何变化，因此仍然保持该0阶模的形态。当该0阶模继续在SSC中传播时，虽然波导宽度不断变宽到2w，此时该波导内可以存在两个模式(前已述)。然而，由于SSC区域变宽的很缓
光波导理论与技术
光波导 1.集成光学：1)按集成的方式划分：个数集成和功能集成;2）按集成的类型划分：光子集成回路（PIC ）和光电子集成回路（OEIC ）；3）按集成的技术途径划分：单片集成和混合集成；按研究内容划分：导波光学和集成光路。 2.纤维光学（圆波导）和集成光学（平板波导、条形波导）是导波光学的两大分支。 3.传播常数β和有效折射率N=β/k 0=n 1sinθ是研究平板波导的重要参数。 4.平板波导的两种基本模式：TE 模：E y ，H x ，H z ；TM 模：H y ，E x ，E z 。 5.对称平板光波导中，基模无论如何都不截止；非对称的基模可能截止。 6.对于非对称波导，随着波长的增大，波导层厚度的减小，同阶数的TM 模先截止；对于对称波导，同阶数的TE 和TM 模一起截止。 7、一个平板光波导的波导层、衬底层和覆盖层折射率分别为1n 、2n 和3n ，若在波长λ下保持单模传输，波导层的厚度d 应在什么范围内选取？ 答案：单模传输的前提条件是非对称波导。 截止厚度计算式()()TE TE c TM TM c m d n n m d n n 22122212arctan 2arctan 2παλππαλπ???+???=?-?????+? ??=?-? 其中TE TM n n n n n n n n n n 2223221242223122312αα?-=?-????-?= ??-??? 所以TE c n n n n d n n 0222322122212arctan 2λπ??- ? ?-??=-，TE c n n n n d n n 1222322122212 arctan 2λππ????-??+ ? ?-??????=-， TM c n n n n n n d n n 0222231223122212 arctan 2λπ????-?? ?-??????=- 单模传输条件TE TE c c TM c d d d d d 01 0?<
光电子技术基础 第4章 光波导技术基础
第4章光波导技术基础 为使激光器发出的光直接或间接地为人类服务，需要将光源发出的光调制后传送到接收器，这当中最重要的是要有一种衰减尽可能小而且尽可能不失真地传输光的光路。对于光电子技术来讲，用于发光的光源和将光转换成电的探测元件作为光电子系统的“发”端与“收”端，是不可缺少的重要器件，而用于各器件间光传输的介质光波导也是极其重要的，它将光限制在一定路径中向前传播，减小了光的耗散，便于光的调制、耦合等，为光学系统的固体化、小型化、集成化打下了基础，是光电子学向集成光电子学发展的主要基础知识，也是光纤通信的重要基础知识。 传统光学中常用空气作传输介质，用透镜、棱镜、光栅等光学元件构成光路来实现光的焦、传输、转折等。但在长距离传输中，大气中的水分和气体等的吸收、水滴和粉尘等烟雾的散射等都很大，各种光学元件又存在菲涅耳反射等耗散，因而没有实用价值。也有人曾试验过气体透镜：将圆管中充满清洁的空气，四周加热，调整气体流速以保持层流，用气体温差构成气体透镜，使通过的光向中心汇聚，不致耗散，但实现起来相当困难。最终人们发现介质光波导可以用来引导光按需要的路径传播，并且损耗可以做到很小，这正如电流被限制在线路布线、电线等中传输一样。介质波导常用的有平面(薄膜)介质波导、条形介质波导和圆柱形介质波导。当工作于光波波段时，这些介质波导常称为平面光波导、条形光波导与光纤。 光纤分为阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤。阶跃折射率光纤的原理由英国的Tyndall 于1854年提出，英国的Baird与美国的Hansell于1927年申请石英光纤应用专利。向玻璃光纤输入光最早于1930年前后由德国人完成。l958年，美国的Kapany设计了细束光纤，同年美国光学公司为减少光纤包层杂散光引入第二吸收鞘；1961年美国的Snitzer研制了光纤激光器。1963年，日本的西迟等人申请了渐变折射率光纤专利，l968年日本玻璃板公司研制出产品。l970年，美国Corning公司研制出20dB／km的低损耗光纤，从此之后，各公司为实现光通信的商用化，开展了大量光学元器件和传输通路的研制。目前，光纤通信已产业化，各国都在实现光纤通信网络化。 平板与条形光波导是光学系统小型化、集成化、固体化需求下的产物。可以将光限制在低损耗的波导内传播。其起源可追溯到1910年德国的Hondros和Debye进行的电介质棒的研究。1962年前后开始了薄膜光波导的研究：当年美国的Yariv从pn结中观测到平板层中的光波导现象，l963年，Nelson等人发现了光波导电光调制现象，1965年美国的Anderson
光波导技术1
研究生课程作业封面课程名称：光波导技术基础学生姓名：王斌 学号：sc12038069 年级：2012级
刚开始接触光波导，在前两节课中，通过老师的讲解对光波导的理论进行了简单的了解。在课后的时间中，查阅相关的文献，对光波导领域中，波导激光器和集成光学的内容挺感兴趣。查阅了几篇文献，通过读文献，对波导激光器和集成光学有了一点基本的了解。这里，写一下感兴趣的综述，作为读文献的收获。我的了解比较浅显，没能很深入，还需要进一步的进行学习和研究。
光波导技术及涉及到的波导激光器一些综述 1.波导的基本介绍 波导作为信号传播的通道和器件的连接装置，是集成光学的重要组成部分，大多数的集成光学元件都是以波导为基础的。波导从结构上来讲，是一个被低折射率介质包围的高折射率区域，基于全反射原理光被限制在一个微米量级的传输区域内。通过上了两次课，老师的讲解，对波导的基本的知识，也有了大概的了解和理解，还在学习中。这里就不再进行介绍了，在课余时间对理论知识看了一些。 1.1 波导的结构和分类 波导是一个高折射率的区域，它的四周的介质低于内部的折射率，以满足全反射的条件。光通过在这种满足全反射条件的介质中传播，发生全反射以“z”字型来传播。根据对光维数限制的情况，波导可以分类为一维波导和二维波导。一维波导又称平面波导（如下图a所示），一维波导是由表面覆盖层、波导层、基质层三层折射率不同的介质层构成，满足全反射的折射率条件，覆盖层和衬底层的厚度比波导层的厚度要大的多，光线只受垂直方向（x）的限制。 二维波导是对腔内的光线进行x和z方向限制的波导。根据波导四周的介质
情况，又可以分类为脊型波导、埋层型波导和表面型波导（如上图b所示）。其中，埋层型波导和表面型波导就是传统意义的条形波导。有三个面与空气介质相接触，与基质材料相接触的有一个面，这种波导结构是脊型波导。其中，不和空气介质相接触，只和基质介质接触的波导结构，是埋层型波导。在基质材料之中制备波导，但是只有一个面与空气相接触的波导结构，是表面型波导。 波导结构按照波导形状又可以分为：光纤（圆柱形介质波导）、薄膜波导（平面波导）、矩形波导（条形波导）、带状波导。波导按照折射率来进行分类又可以分为均匀介质光波导和渐变折射率介质光波导。 1.2波导的制备方法 光波导的研究方法与当前科技的发展密不可分，随着技术的发展，新的制作方法不断的出现。波导的制备方法有很多种。这里简单的介绍几种常用的效果良好的制备波导结构的方法。 （1）载能粒子束所谓的载能粒子束法就是利用载能粒子和材料相互作用使得材料的折射率发生改变，从而制备波导结构。该方法对材料的性质影响轻微，而且该方法不受温度限制，可在任何温度下实行，可以准确的控制折射率的变化，广泛的应用于晶体、陶瓷、有机物、玻璃中。载能粒子束法可以分为离子注入式、快重离子辐照、聚焦质子束直写。主要介绍离子注入法。离子注入法使用具有一定能量的高速离子束来轰击材料表面，高速离子束通过使用高压电场加速离子获得，轰击材料表面的离子束与材料发生作用，使得离子束的能量不断减少，最后离子的能量不足以维持，就会留在材料中，这就会改变材料的折射率，从而制备出波导。离子注入制备的波导根据材料折射率变化的不同可以分为光位垒型、增强势阱型、光位垒+增强势阱型。折射率增强势阱是折射率增强的部分，光位垒是折射率降低的部分。离子注入方法主要有以下几个优势：1，适用范围广，100 多种光学材料。 2，在常温或低温下完成。 3，准确控制光波导的特征参数。4，可以形成“晶体”波导，晶体保持原有的属性。 5，重复性好。 6，可以与其它技术相结合等等。