集成光學(xué)器件導(dǎo)論

前言

　　集成光學(xué)是以光電子學(xué)和微電子學(xué)為基礎(chǔ)，采用集成方法研究和探索光學(xué)器件、光電器件及其系統(tǒng)的一門學(xué)科。集成光學(xué)理論的基礎(chǔ)是光學(xué)和光電子學(xué)，涉及物理光學(xué)、晶體光學(xué)、導(dǎo)波光學(xué)、激光技術(shù)和激光物理等基礎(chǔ)課程；實驗制作技術(shù)主要采用光刻、薄膜、擴散和交換等微電子技術(shù)。自從1969年美國貝爾實驗室的D r.Miller提出集成光學(xué)的概念以來，集成光學(xué)在理論與實踐兩個方向得到了飛速的發(fā)展，并且成為當(dāng)今光學(xué)和光電子學(xué)領(lǐng)域中十分活躍的前沿學(xué)科。　　集成光學(xué)的成功，不僅產(chǎn)生了半導(dǎo)體激光器、探測器、光調(diào)制器、光開關(guān)、光放大器和光傳感器等單功能的集成器件，而且能夠?qū)崿F(xiàn)多個核心器件集成，形成具有一定復(fù)雜功能的器件系統(tǒng)。目前，集成光學(xué)針對光通信、光信息處理、光傳感和光子計算機所需的多功能光集成體系和混合光電集成體系，把激光器、調(diào)制器和探測器等有源器件集成在同一個襯底上，利用光波導(dǎo)、隔離器、耦合器和濾波器等無源器件連接起來，構(gòu)成集成光路，以實現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)的薄膜化、微型化和集成化。　　集成光學(xué)材料已從初期的單一的玻璃或鈮酸鋰（LiNbO3）材料發(fā)展到今天的多種材料，特別是硅基、Ⅲ-V族半導(dǎo)體、有機聚合物材料的開發(fā)為集成光學(xué)進(jìn)入工程實用奠定了基礎(chǔ)。以硅基為襯底的平面光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)多芯片光電混合集成，盡管Ⅲ.V族半導(dǎo)體的線性電光效應(yīng)不如鈮酸鋰，但尚有多種物理效應(yīng)可開發(fā)，用以實現(xiàn)新型的光波導(dǎo)功能器件，更重要的是，Ⅲ-V族材料是實現(xiàn)單片集成必不可少的材料。有機聚合物不僅為集成光學(xué)增添了新材料，而且為集成光學(xué)的低成本批量生產(chǎn)，產(chǎn)生了巨大的推動力。近年來，光子晶體和微諧振腔、微腔激光器、納米量子線導(dǎo)光和等離子體激光表面波等新理論與技術(shù)的出現(xiàn)，為實現(xiàn)小尺寸和高集成度集成光學(xué)器件提供了理論基礎(chǔ)，使得集成光學(xué)進(jìn)入了一個嶄新的發(fā)展階段。　　本書主要針對以集成光波導(dǎo)為基礎(chǔ)的部分典型無源器件和光波導(dǎo)放大器進(jìn)行了深入、全面的研究，力求從基礎(chǔ)理論、仿真分析和實驗技術(shù)等方向進(jìn)行闡述。本書的一部分內(nèi)容也體現(xiàn)了作者近年來在集成光學(xué)方向的科研成果。限于篇幅，本書對于半導(dǎo)體激光器、探測器等有源器件，未能涉及。

內(nèi)容概要

　　《集成光學(xué)器件導(dǎo)論》是關(guān)于集成光學(xué)器件理論的學(xué)術(shù)專著，全面、系統(tǒng)、深入地闡述了集成光學(xué)器件的理論與技術(shù)?！都晒鈱W(xué)器件導(dǎo)論》內(nèi)容不僅對集成光學(xué)器件的原理和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，還在仿真、材料、制作和應(yīng)用等方面進(jìn)行了一系列的介紹和研究?！　　都晒鈱W(xué)器件導(dǎo)論》共分為10章，其中包括集成光波導(dǎo)理論、集成電光調(diào)制器、LiNbO3電光調(diào)制器電極靜態(tài)分析、光開關(guān)、集成光波導(dǎo)放大器、集成光波導(dǎo)電場傳感器、有機聚合物光學(xué)器件、集成光學(xué)器件的應(yīng)用、光束傳輸法和LiNbO3集成光學(xué)器件的制作技術(shù)等?！　　都晒鈱W(xué)器件導(dǎo)論》適合于從事集成光學(xué)、光纖通信、激光技術(shù)和光信息處理的科技人員及高等院校相關(guān)專業(yè)的教師、研究生和高年級本科生作為教材或參考書。

書籍目錄

前言第1章 集成光波導(dǎo)理論1.1 平面光波導(dǎo)的射線理論1.1.1 反射截面的相移系數(shù)1.1.2 平面介質(zhì)波導(dǎo)中的傳輸模式1.1.3 波導(dǎo)損耗1.2 平面波導(dǎo)傳輸模式的電磁場分析1.2.1 TE波1.2.2 導(dǎo)模攜帶的功率1.3 三維波導(dǎo)傳輸模式的理論分析1.3.1 馬克帝里（Marcatili）近似法1.3.2 有效折射率法1.4 兩種三維波導(dǎo)的理論分析1.4.1 指數(shù)型折射率光波導(dǎo)的導(dǎo)模1.4.2 拋物型波導(dǎo)的折射率1.5 波導(dǎo)耦合理論參考文獻(xiàn)第2章 集成電光調(diào)制器2.1 集成電光調(diào)制器的理論基礎(chǔ)2.1.1 LiNbO3晶體的電光效應(yīng)2.1.2 相位調(diào)制2.1.3 強度調(diào)制2.2 集成電光調(diào)制器的基本參數(shù)2.3 脊形電極結(jié)構(gòu)的有限元法分析2.3.1 全波分析方法2.3.2 準(zhǔn)TEM分析2.3.3 數(shù)值分析結(jié)果2.4 集成電光調(diào)制器的性能優(yōu)化2.4.1 集成電光調(diào)制器的仿真結(jié)構(gòu)2.4.2 中心電極寬度的優(yōu)化2.4.3 電極間距的優(yōu)化2.4.4 電極高度的優(yōu)化2.4.5 脊形光波導(dǎo)高度的優(yōu)化2.4.6 緩沖層厚度的優(yōu)化2.4.7 脊形集成電光調(diào)制器的優(yōu)化結(jié)果參考文獻(xiàn)第3章 LiNbO3電光調(diào)制器電極靜態(tài)分析3.1 普通共面波導(dǎo)電光調(diào)制器的分析與設(shè)計3.1.1 特征參量3.1.2 施瓦茲變換3.1.3 部分電容法3.1.4 分布電容的計算過程3.1.5 共面波導(dǎo)的導(dǎo)體損耗3.1.6 計算結(jié)果及分析3.2 梯形電極共面波導(dǎo)調(diào)制器的分析3.2.1 分布電容的計算過程3.2.2 梯形電極結(jié)構(gòu)的導(dǎo)體損耗3.2.3 計算結(jié)果及分析3.3 脊形結(jié)構(gòu)共面波導(dǎo)調(diào)制器的分析3.3.1 脊形結(jié)構(gòu)橫截面的簡化圖形3.3.2 分布電容的計算過程3.3.3 脊形結(jié)構(gòu)的導(dǎo)體損耗3.3.4 計算結(jié)果及分析3.4 結(jié)果分析3.5 有限元法計算電場分布參考文獻(xiàn)第4章 光開關(guān)4.1 光開關(guān)概述4.1.1 光開關(guān)的應(yīng)用4.1.2 光開關(guān)的分類4.1.3 光開關(guān)的主要性能參數(shù)4.2 電光效應(yīng)光開關(guān)4.2.1 定向耦合器型光開關(guān)4.2.2 干涉型光開關(guān)4.2.3 Y分支型光開關(guān)4.2.4 SOI波導(dǎo)光開關(guān)4.2.5 BOA型光開關(guān)4.3 熱光效應(yīng)光開關(guān)4.3.1 M-Z干涉型熱光開關(guān)4.3.2 數(shù)字型光開關(guān)4.3.3 Y結(jié)和X結(jié)數(shù)字型光開關(guān)4.4 磁光效應(yīng)光開關(guān)4.5 聲光效應(yīng)光開關(guān)4.6 其他類型光開關(guān)4.6.1 機械式光開關(guān)4.6.2 微電子機械系統(tǒng)／微光機電系統(tǒng)開關(guān)4.6.3 液晶光開關(guān)4.6.4 氣泡光開關(guān)4.6.5 全息光開關(guān)4.6.6 液體光柵開關(guān)4.6.7 半導(dǎo)體多量子阱超快光開關(guān)4.6.8 半導(dǎo)體光放大器門控光開關(guān)參考文獻(xiàn)第5章 光波導(dǎo)放大器5.1 光放大器概述5.1.1 半導(dǎo)體光放大器5.1.2 使用非線性效應(yīng)的放大器5.1.3 摻稀土光纖放大器5.1.4 集成光波導(dǎo)放大器5.1.5 最近的發(fā)展5.2 稀土材料5.2.1 稀土材料的發(fā)光屬性5.2.2 稀土摻雜材料的屬性5.2.3 泵浦機制5.3 基底材料及其制備5.3.1 紅外波段的材料5.3.2 可見光材料5.3.3 制作技術(shù)5.4 摻稀土光波導(dǎo)放大器5.4.1 摻鉺氧化鋁的粒子數(shù)密度5.4.2 放大器設(shè)計^5.4.3 增益計算5.4.4 光波導(dǎo)放大器的制作工藝5.4.5 新型結(jié)構(gòu)的光波導(dǎo)放大器參考文獻(xiàn)第6章 集成光波導(dǎo)電場傳感器及其系統(tǒng)6.1 集成光波導(dǎo)電場傳感器6.1.1 理論基礎(chǔ)6.1.2 基本結(jié)構(gòu)6.1.3 基本參數(shù)6.1.4 基本模型6.2 集成光波導(dǎo)電場傳感系統(tǒng)6.2.1 基本結(jié)構(gòu)和原理6.2.2 參數(shù)描述6.3 分段電極電場傳感器及其系統(tǒng)6.3.1 分段電極電場傳感器的原理與結(jié)構(gòu)6.3.2 分段電極電場傳感器的靜電場分析6.3.3 分段電極電場傳感器的動態(tài)模型6.3.4 分段電極電場傳感器構(gòu)成的傳感系統(tǒng)6.3.5 分段電極電場傳感系統(tǒng)的測試6.4 全向電場傳感系統(tǒng)的原理與結(jié)構(gòu)6.4.1 傳統(tǒng)全向天線的原理6.4.2 新型全向電場傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參考文獻(xiàn)第7章 有機聚合物光學(xué)器件7.1 光學(xué)有機聚合物概述7.2 有機聚合物材料7.2.1 集成電光波導(dǎo)器件對材料的基本要求7.2.2 光通信波段聚合物光波導(dǎo)材料分子的特點7.2.3 聚合物材料的進(jìn)展7.3 有機聚合物材料的制備7.3.1 有機聚合物的合成7.3.2 薄膜的制備7.4 有機聚合物波導(dǎo)的制作7.4.1 光刻7.4.2 干法刻蝕7.5 有機聚合物集成光學(xué)器件7.5.1 有機聚合物電光調(diào)制器7.5.2 有機聚合物可調(diào)光衰減器7.5.3 有機聚合物光開關(guān)參考文獻(xiàn)第8章 集成光學(xué)器件的應(yīng)用8.1 集成光學(xué)模數(shù)轉(zhuǎn)換器8.1.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A／D轉(zhuǎn)換器）8.1.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換器（D／A轉(zhuǎn)換器）8.2 集成光學(xué)卷積器和相關(guān)器8.2.1 卷積器8.2.2 相關(guān)器8.3 集成光學(xué)頻譜分析儀8.4 集成邏輯光路8.5 光纖陀螺的基本原理與結(jié)構(gòu)8.5.1 干涉式光纖陀螺（I-FOG）原理8.5.2 光纖陀螺的基本結(jié)構(gòu)8.5.3 光纖陀螺用Y分支調(diào)制器設(shè)計8.5.4 Y分支調(diào)制器的設(shè)計版圖8.6 集成光波導(dǎo)氣體傳感器8.6.1 氣體傳感器的基本原理8.6.2 波導(dǎo)模式的有效折射率法和傳輸線理論分析8.6.3 氣敏有機材料的結(jié)構(gòu)與合成8.6.4 實驗結(jié)果參考文獻(xiàn)第9章 光束傳輸法9.1 電磁場基本方程9.1.1 麥克斯韋方程組9.1.2 二維光波導(dǎo)的TE模方程9.1.3 二維光波導(dǎo)的TM模方程9.1.4 矢量和半矢量波動方程9.2 二維標(biāo)量FDBPM的基本原理9.2.1 TE模FDBPM格式9.2.2 TM模FDBPM格式9.2.3 二維標(biāo)量FDBPM格式的穩(wěn)定性分析9.2.4 透明邊界條件與方程求解9.3 三維FDBPM的基本原理9.3.1 三維標(biāo)量FDBPM的基本格式9.3.2 三維半矢量FDBPM的基本格式9.3.3 三維矢量FDBPM的基本格式9.4 FDBPM仿真光波導(dǎo)舉例9.4.1 Y分支波導(dǎo)的仿真9.4.2 M.z型調(diào)制器的仿真9.4.3 電光開關(guān)的仿真9.4.4 三維Y分支波導(dǎo)的仿真9.5 商用光波導(dǎo)仿真軟件參考文獻(xiàn)第10章 LiNbO3集成光學(xué)器件的制作技術(shù)10.1 集成光學(xué)調(diào)制器的制作工藝10.1.1 光刻過程10.1.2 光波導(dǎo)的質(zhì)子交換制作10.1.3 薄膜沉積技術(shù)10.1.4 刻蝕技術(shù)10.1.5 基片的研磨與耦合封裝10.2 退火質(zhì)子交換技術(shù)10.2.1 光波導(dǎo)質(zhì)子交換和Ti擴散技術(shù)的比較10.2.2 質(zhì)子交換技術(shù)10.2.3 退火技術(shù)10.3 Ti擴散技術(shù)10.3.1 Ti擴散LiNbO3波導(dǎo)物理機理分析10.3.2 Ti擴散LiNbO3波導(dǎo)工藝及原理10.3.3 Ti擴散IANbO3折射率分布與濃度的關(guān)系10.3.4 Ti擴散模式控制與模斑控制10.4 離子交換技術(shù)參考文獻(xiàn)附錄附錄A FDBPM仿真算法流程圖附錄B 二維有限差分光束傳輸法Matlab源程序附錄C 二維Y分支光波導(dǎo)有限差分光束傳輸法Matlab源程序附錄D 二維電光開關(guān)有限差分光束傳輸法Matlab源程序附錄E 二維M-Z電光調(diào)制器有限差分光束傳輸法Matlab源程序附錄F 求解二維光波導(dǎo)有效折射率的Matlab源程序

章節(jié)摘錄

　　2.S型彎曲波導(dǎo)熱光聚合物VOA　　這種可調(diào)光衰減器是基于彎曲波導(dǎo)輻射損耗原理，結(jié)構(gòu)如圖7.29所示。這種結(jié)構(gòu)的VOA具有功耗低、插入損耗小、串?dāng)_低、偏振無關(guān)、可達(dá)到的衰減大和易于集成等優(yōu)點。2002年，SeanM.等人根據(jù)彎曲波導(dǎo)輻射損耗原理，研制出彎曲波導(dǎo)熱光型VOA，通過5mill長的電極作用區(qū)，可實現(xiàn)大于40dB的衰減。根據(jù)彎曲波導(dǎo)理論，溝道波導(dǎo)彎曲區(qū)域的切面上的折射率不是成階躍型，而可以等效為向外傾斜的斜線，如圖7-29所示，當(dāng)Y增大時，包層的折射率不斷增加，甚至比核芯區(qū)的更大，電磁場分布也會向折射率增大的方向平移，即偏向Y的正方向，所以產(chǎn)生輻射損耗?！　』趶澢▽?dǎo)輻射損耗原理，利用聚合物材料，通過采用s彎曲波導(dǎo)的熱光型VOA結(jié)構(gòu)，如圖7-29所示，對波導(dǎo)形狀、電極位置的優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)更小的插入損耗，更低的串?dāng)_，并且更易于集成。器件包括一條表面垂直覆蓋電極加熱器的s形溝道波導(dǎo)。電極未加電時，光通過彎曲波導(dǎo)的損耗非常小。當(dāng)電極作用時，在波導(dǎo)的垂直方向產(chǎn)生溫度梯度，形成相應(yīng)的折射率梯度，同時由于彎曲波導(dǎo)輻射損耗理論，水平方向上的光線也會發(fā)生泄漏。垂直和水平方向兩者共同作用的結(jié)果使芯區(qū)的模式限制減弱，導(dǎo)致光在水平和垂直方向上的同時損耗，實現(xiàn)了VOA的功能?！　?.Y分支結(jié)構(gòu)的熱光聚合物VOA　　這種聚合物VOA由線性Y分支波導(dǎo)和一個光能量分支端口組成，圖7-30顯示了其結(jié)構(gòu)。對于非對稱的分支波導(dǎo)，上臂遠(yuǎn)遠(yuǎn)寬于下臂，上臂連接直行波導(dǎo)作為主輸出口，而另一個光能量分支端口連接一個彎曲波導(dǎo)，其作用是分出一部分光能量用于監(jiān)控輸出。Y分支中，窄的下臂連接一個S形彎曲波導(dǎo)，是為了增大兩分支波導(dǎo)之間的距離。器件工作是基于耦合模原理：當(dāng)電極沒有工作時，輸入的光能量大部分耦合入寬的上臂，因此，器件此時衰減量最??；當(dāng)電極工作時，引起聚合物的熱光效應(yīng)，寬的上臂的有效折射率減小，輸入的光能量就逐漸耦合入窄的下臂波導(dǎo)中。通過電能量可以控制光能量的輸出，剩余的光能量在S形波導(dǎo)中被衰減，不會耦合到器件的其他部分。監(jiān)控端口可以直接測量衰減器的輸出光能量。而且可以把衰減信息反饋到電極的驅(qū)動源里，來保持輸出光能量。　　……

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