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1、六六.光波导理论及器件基础光波导理论及器件基础 平板波导平板波导6.1 通道波导通道波导6.2 光波导器件光波导器件6.3光波导的概念光波导的概念l光纤、平面薄膜、窄条l对光辐射实施限制和传输的技术l研究方法：射线理论、电磁场理论l研究内容：光波导中光的传播行为、传导模式、传输特性平板波导平板波导射线光学：直观、近似光线在介质界面发生反射和折射 发生全反射光被限制在第1介质内，全反射可用于限制光的传输电磁理论：复杂、完善平板波导平板波导覆盖层涂层基质覆盖层：通常为空气，涂层：介质薄膜，mm量级，也称薄膜波导基质：玻璃对称平板波导非对称平板波导空气l平板波导结构中可能存在的几种波的模式辐射波（辐
2、射模）基质辐射波（基质模）传导波（传导模）平板介质波导中的导波平板介质波导中的导波x：横向约束y：均匀z：传播 引入 沿z方向的传播常数 则 导波有效折射率Nz方向最大传播常数TE与与TMTE模（纵向电场分量为0）TM模（纵向磁场分量为0）古斯古斯-汉森位移和波导层的有效厚汉森位移和波导层的有效厚度度-波导中的光能流问题波导中的光能流问题有效波导层厚度全反射：反射率为1，没有能流进入基质。实际上，存在倏逝波，沿x方向迅速衰减，z方向存在位移。平板波导的电磁理论基础平板波导的电磁理论基础l对光学现象的完善描述需借助电磁理论分析l不存在自由电荷和传导电流时l直角坐标系中l若麦克斯韦方程组具有随时间
3、周期变化的解，可表示为复共轭l介质中 同时没有自由电荷和传导电流时电磁空间分量的麦克斯韦方程组=l平板波导中的麦克斯韦方程组导波沿z传播，则横向分量波导y方向无限大，不受限制，E、H在y方向不变，则没有自由电荷和传导电流，无其它条件TE波：只存在电场横向分量令则TE波中，仅剩 且TE波中的所有电磁分量均由 决定，满足常系数二阶微分方程对于平板波导的三个层同样波导层-E在x方向周期变化-实数基质层-E在x方向衰减-虚数覆盖层-E在x方向衰减-虚数从而各层中 场不能无限大，故l三层中三个分量的表达式全部获得，利用了横电特性 及三层介质中光传播特性需求解A、B、A2、A3系数，利用边界条件电场磁场只
4、剩下A，设x=0处，Ey(0)=E0边界面上，电磁场切向分量连续各层的全部非0场分量为：基底层（x-d）：波导层（-d x0）：lTE波的模和截止条件根据x=-d处连续条件方程的解为一组值，对应于TE波的本征模。介质波导本征值方程：关于传播常数的超越方程正整数模数对称波导：对称模反对称模图中圆弧半径由光波传播常数即频率决定：0半径/2:单个解，对称模/2 半径:两个解，对称模，反对称模 半径3/2:三个解，两对称模，一反对称模低频区（大，k小）：单模，关于-d/2对称，电场在波导层内余弦变化，波导层外指数衰减，至少单模。频率升高：场向波导层中央集中，一定程度时出现反对称解，形成双模传播。对称单
5、模传播对称、反对称双模传播小结小结倏逝波倏逝波传导行波l截止条件临界条件时，发生全反射，对应截止条件，对称模反对称模所有模截止条件为：实际上截止条件时：波导的V值判断导波模数，允许v+1个模光波导的模式光波导的模式?光ABCD单模多模例1、例2、存在2个导波模，v=0，1导波模性质导波模性质l不同模不同模正交性正交性 两个不同模的乘积在波导横截面内的两个不同模的乘积在波导横截面内的积分为积分为0 0导波模性质导波模性质l波导模场分量波导模场分量可归一化可归一化，对同一个模，对同一个模 l正交归一性使任意横向场可展开为模场分量叠正交归一性使任意横向场可展开为模场分量叠加的形式加的形式导波模性质导
6、波模性质l沿沿z z正方向行进的导波模所携带的能量密度正方向行进的导波模所携带的能量密度其中其中通道光波导通道光波导通道波导的描述通道波导的描述l矢量波方程导波在两个方向受限，因此必须考虑电场磁场分量的矢量特性l标量近似标量方程的解法标量方程的解法l场屏蔽法l等效折射率法标量方程的解法标量方程的解法横截面结构等效平板波导设计软件设计软件lFDTD：时域有限差分方法（Finite Difference Time Domain）。把 Maxwell 方程式在时间和空间领域上进行差分化。利用蛙跳式(Leap frog algorithm)-空间领域内的电场和磁场进行交替计算，通过时间领域上更新来模仿
7、电磁场的变化，达到数值计算的目的。用该方法分析问题的时候要考虑研究对象的几何参数，材料参数，计算精度，计算复杂度，计算稳定性等多方面的问题。其优点是能够直接模拟场的分布，精度比较高，是目前使用比较多的数值模拟的方法之一。设计软件设计软件l光束传播法：光束传播法（Beam Propagation Method，BPM）的基本思想是在给定初始场的前提下，一步一步地计算出各个传播截面上的场。l最早的BPM是以快速傅里叶变换(Fast-Fourier Transform，称FFT)为数学手段实现的，称为FFT-BPM。FFT-BPM 源于标量波方程，只能得到标量场(即只能处理一个偏振分量)，不能分辨出
8、场的不同偏振以及场之间的耦合。同时它所采用的网格是均匀网格，在处理楔形、弯曲波导时不是很适合。由于上述缺点，D.Yevick等人于1989年提出有限差分光束传播法，它将波导截面分成很多方格，在每一个格内的场用差分方程来表示，然后加入边界条件，就可得到整个横截面的场分布。沿纵向重复前面的步骤，就可得到整个波导的场分布。这种方法已被成功地应用于分析Y型波导及S型弯曲波导中的光波传输，且对损耗的计算也得到了准确的结果光子晶体波导光子晶体波导l光子晶体：周期性结构的介质材料1D:布拉格反射器 2D:硅柱晶体 3D:胶质晶体二维光子晶体波导二维光子晶体波导90度转折二维光子晶体波导线性二维光子晶体波导光
9、子晶体波导Joannopoulos et al.光子晶体光纤光子晶体光纤阵列波导光栅阵列波导光栅：（1）输出波导，（2）平板波导，（3）通道波导，（4）平板波导，（5）输出波导光纤中光的传输光纤中光的传输光子晶体中光的传输光子晶体中光的传输6.3 光波导器件光波导器件l波导制造过程l典型光波导器件波导制造过程概述波导制造过程概述l采用类似集成电路的制造技术，将光波导、光电二极管、半导体激光器等集成在同一块儿芯片上。基片波导涂层光刻胶涂层掩模曝光去除光刻胶波导层刻蚀波导层刻蚀下一层微米量级，洁净室基片制备基片制备l玻璃镀膜：磁控溅射、真空蒸发、化学气相沉积、溶胶凝胶。l晶体：结晶基片（刚玉）上生
10、长，需籽晶。熔融物液体晶片固体，如硅片在单晶炉中提拉生长，控制温度、转速、籽晶提拉速度l半导体材料：GaAs，控制气压、温度。l晶体定向：X射线玻璃绝缘晶体半导体材料被动光学光发射电光装置波导膜沉积波导膜沉积l沉积：基片表面形成1um介质或金属膜波导膜沉积波导膜沉积l非真空镀膜波导膜生长波导膜生长l将基片作为有序生长的模板，使膜与基片参数匹配。金属有机化学气相沉积系统（MOVPE）蓝光LED材料改性材料改性l扩散：基片与掺杂材料直接接触，加热扩散，基片原子只能振动。l离子交换与质子交换：离子或质子相互交换l离子注入：离子通过高电压加速，打入基片刻蚀刻蚀l湿法刻蚀l溅射法：物理过程，被刻蚀材料的
11、原子受到离子的轰击而从材料表面发射。l化学刻蚀：化学过程，利用等离子体中的化学活性院子团与备课时材料发生化学反应，实现刻蚀目的。各向同性l物理化学刻蚀-反应离子刻蚀，高密度等离子体刻蚀：物理化学过程，通过活性离子对衬底的物理轰击和化学反应双重作用刻蚀，同时兼有各向异性和选择性。金属板印刷金属板印刷l掩模板制备l印刷拷贝主板相位调制器相位调制器铌酸锂、钽酸锂：电场引起折射率变化Kaminow,et al.(1975)方向耦合器方向耦合器由一对相距很近的相同条形波导组成，倏逝波重叠方向耦合器方向耦合器方向耦合器方向耦合器方向耦合器电场/光轴光偏振/光轴方向耦合器方向耦合器电极分离方向耦合器平衡桥干涉仪平衡桥干涉仪平衡桥干涉仪平衡桥干涉仪