第4章-介质波导
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。
平面光波导器件的发展
２０１０年第３期 中图分类号：１Ｎ９２９．１文献标识码：Ａ文章编号：１００９—２５５２（加１０）０３—０１７５—０４ 平面光波导器件的发展 陈昊 （江苏信息职业技术学院，无锡２１４０００） 摘要：在光电子技术，计算机技术，通信技术迅速发展的今天，光波导材料和器件得到了越来越多的应用和发展。因此，对于光波导器件现状及发展趋势的叙述，不但对有志于在此方面研究的人具有一定参考价值，同时也是面向未来光电子产业发展的必然要求。因为当今大多器件应用平面光波导材料，所以主要对平面光波导理论进行了讨论。 关键词：非线性光学；平面波导；光波导材料 Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｐｌａｎａｒｏｐｔｉｃａｌｗａｖｅｇｕｉｄｅｍａｔｅｒｉａｌｓ ＣＨＥＮＨａｏ （ＪｉａｒｃｓｕＣｏｉｌｅ辞矿ｌｒｔｔｏｎｍＩｔｉｏａＴｅｔ妇ａｏｌｏｇｙ，ｗＩ瘟２１４０００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈｔｈｅｒａｐｉｄｄｅｖｅｂｔｌｍｃｎｔｏｆ．ｔｈｅｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ｃｏｍｐｕｔｅｒｔｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄｔｈｅｏ砌ｍｍｉｃａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅｉｎ ｔｏｄａｙ，ｏｐｔｉｃａｌｗａｖｅｇｕｉｄｅｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄｄｅｖｉｃｅａｒｅｍｏｒｅ ａｎｄｒｌｌｏｒｅｕｓｅｄａｎｄｄｅｖｅｌｏｊ）ｅｃ！．Ｔｈｕｓ，ｔｈｅｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎｓａｂｏｕｔｔｈｅｏｐｔｉｃａｌｗａｖｅｇｕｉｄｅｂａｓｅｄｔｈｅｏｒｉｅｓａｎｄｉｔｓ’ｄｅｖｉｃｅｓｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ，ｗｈｉｃｈａｌｅｕｓｅｆｕｌｆｏｒｔｈｅｒｅ９ｅａｒｃｈｅ璐．ａＩｅａｌｓｏｎｅｅｄｅｄｂｙｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｉｎｄｕｓｔｒｙｉｎｆｕｔｕｒｅ．Ｂｅｃａｕｓｅｍｏｓｔ ｄｅｖｉｃｅｓａｐｐｌｙｐｌａｎａｒｏｐｔｉｃａｌｗｅｖｅｇｕｉｄｅｍａｔｅｒｉａｌ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒｄｅｓｃｒｉｂｅｓｉｔｉｎ ｄｅｔａｉｌｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｎｏｎｌｉｎｅａｒｏｐｔｉｃｓ；ｐｌａｎａｒｗａｖｅｇｕｉｄｅ；ｗａｖｅｇｕｉｄｅｍａｔｅｒｉａｌ １光波导器件的简介 集成光学领域研究有关光波沿介质平面薄膜或介质条状薄膜传播并受其制约的各种物理现象［｜】，这些介质薄膜和介质条状薄膜就是所说的平板介质光波导和条形介质光波导。这两种光波导都可以传播光频波段的电磁能，并且可能实现单片集成光路。这种光路一旦实现，将制成光网络中的微型光学对应的器件，即各种光无源及有源器件，这些器件有非常宽的带宽，并且几乎不受自然界和人工低频电磁场的干扰。 在１９６８年Ｓｈｕｂｅｒｔ首次提出了集成光学信息处理［２１这个词。从这以后，人们开始对薄膜技术进行大量的研究。由于１９６０年世界上第一台相干振荡光源红宝石激光器的诞生，使人们成功地将激光器发出的光束耦合到了薄膜波导中去【３】，为了使激光器的特性变得更好，以及制作出能更好的与激光器耦合的光器件，人们对光学薄膜作了大量的研究。例如，基于Ｋｒｅｓｓｅｌ【４１等人的研究，制成了能在室温下工作的ＡｌｘＧａｌ．ｘＡｓ异质结激光器。Ｂｈｍ【５】等人完成了由气相外延技术制成的非常薄的Ｇａｌ．ｘＩｎｘＡｓ异质结激光器。 所有的这些努力都只有一个目的，就是实现真正意义上的光通信。自从１９７０年华裔科学家高混博士提出了损耗很低的光导纤维的概念以及美国贝尔实验室制出了可在室温下连续工作的半导体激光器后，人们就看到了光通信的发展前景是美好的，到目前为止，低损耗，可以实现各种用途的光纤制备技术已经非常成熟，而且世界上许多国家都已经将光纤用于了通信的主干网，并声称不久的将来会用光缆代替铜缆而实现全光网络哺Ｊ。但是只是实现全光纤传输并不意味着就是光通信，毕竟还要有与之对应的各种光有源和无源器件，这些器件的性能直接影响着光信号的特征。 收稿日期：２００９—１２—１５ 作者简介：陈吴（１９８２一）．本科，毕业于吉林大学，江苏信息职业技术学院助教，研究方向为微电子工艺，光电子。 ?－——１７５??—— 万方数据
光纤传感技术与应用复习提纲66
第二章 多传感器的光网络技术 2．2．1 网络损耗的主要来源 1．弯曲引起的光纤损耗（弯曲损耗） 弯曲损耗： 宏弯损耗 微弯损耗 1）光纤的宏弯损耗:曲率半径在一个临界值 c R ，c R R >时附加损耗可以忽略不计；否则， 弯曲损耗指数增加。确定R 值是很重要的。多模光纤cm R 1≥时，附加损耗可以忽略不计。 2）光纤的微弯损耗（1）多模光纤的微弯损耗多模光纤在微弯时，主要是相邻模之间发生耦合 弯波矢量 c k k ='（微弯周期c l l =）时，损耗最大。 c l l =处的主衰减峰的谱宽为L l c /22， 主衰减峰两侧还有次极大出现。③损耗与微弯振幅2 d A （平方）成正比（这一点可以加以利 用）。④损耗与微弯总长度L 成正比。 （2）单模光纤的微弯损耗 模斑半径越小，损耗越小。 2．光纤和光源的耦合损耗 1）半导体激光器和光纤的耦合损耗 半导体激光器发出的光不是圆的光班，其发散角在互为垂直的方向上也不一样大。 ()()?? ?????? ????????? ???? ? ??+???? ?? -=2 2 2exp ,,y x y x z A z y x I ωω 其中 x z x 0πωλω= ， y z y 0πωλω= （1）直接耦合的损耗 直接耦合：将光纤端面直接指向激光器发光面（点）。 举例：光纤NA=0.14，其孔径角 c θ2约为16°半导体激光管发散角//2θ（平行于PN 结） 仅为5°~6°，距离很近时，可以全部耦合；⊥θ2大于c θ2，不能保证全部的光都能进入光纤。 耦合效率的计算： ()()() ∞=?? ????? ? ????????????? ? ??+??? ? ??-==? ??? ∞ ∞ ∞ ∞ Berf dxdy y x s A dxdy z y x I P y x 002 2 0002exp 2,,2ωω ()?∞???????????? ??-???? ??=022exp 22dx x s A b x y ωωπ ()? ???? ??-???? ??=A y dt t A erf 022exp 22ωπ 误差函数y y t ω2= ， y dy dt ω= 在 s z =平面内，B 为常数。显然，包含在光纤孔径角// 2θ 内的光功率是 ()?? ???????=???? ??-???? ? ? =?? ? ??????????????????? ??+???? ??-=πλθπωλθωπωω202 02 2tan 22exp tan 222exp 20 c oy c oy x y y x berf dt t B dxdy y x s A P 估算，光纤端面损5%， 则 ()[] []%95/tan 2%950max ?∞=?=erf erf P P c oy λθπωη m oy μω05.0=，m μλ85.0=的激光和14.0=NA （?=8c θ）的直接耦合，max η约为 20%。 （2）透镜耦合的损耗 ①光纤端面磨成球面的耦合 ②柱透镜耦合 ③凸透镜耦合（也可用自聚焦透镜代替） ④圆锥表透镜耦合 2）半导体发光二极管和光纤的耦合损耗 发光管不同于激光器，其发光相当于余弦发光体。后者相光强分布相当于高斯形。用朗伯发光面（见固体光电子学），半球空间发出的总功率为 ?==20 02cos sin 22π πθθθπE E BA d BA P E A ——发光 面积，B ——光源亮度（单位面积向某方向单位立体角发出的光功率）； 通常，半导体二极管发光点的面积比光纤端面积小。 Ω=d BA dP E θcos ?==c c E E BA d BA P θθπθθθπ0 2sin 2cos sin 22 直接耦合时的最 大效率为 ()2 20 m a x s i n NA P P c == θη 举例：当14.0=NA 时，效率为2%，功率为5mW 的发光二极管，耦合入光纤的功率仅为 几十微瓦。采用透镜耦合，与激光管类似。 3．光纤和光纤的直接耦合损耗 1）多模光纤和多模光纤的直接耦合损耗 （1）轴偏离对耦合损耗的影响 （2）两光纤端面之间的间隙对耦合损耗的影响 （3）两光纤轴之间的倾斜对耦合损耗的影响 （4）光纤端面的不完整性对耦合损耗的影响 ①端面倾斜 ②端面弯曲 （5）光纤种类不同对耦合损耗的影响 ①芯径不同 ②折射率不同： 2）单模光纤和单模光纤直接耦合的损耗 （1）离轴和轴倾斜引起的损耗 （2）两光纤端面间的间隙引起的耦合损耗 （3）不同种类光纤引起的耦合损耗 2．2．2 光网络常用无源及有源光纤器件 属于有损耗器件：光连接器、光耦合器、光开关、光衰减器、光隔离器、光滤波器、波分复 用/解复用器等。1．熔锥型单模光纤光分/合路连接器2．磨抛型单模光纤定向耦合 3．光开关 1）机械式光开关（1）微光机电系统光开关微光机电系统MEMOS （2）金属薄膜光开关 2）电光效应光开关 4．掺杂光纤激光器与放大器（略） 5．光纤放大器（略） 2．3 光网络技术 2．3．2 成网技术 复用技术：光波分复用（OWDM ）、光时分复用技术（OTDM ）、光码分复用技术（OCDMA ）、 光频分复用技术（OFDM ）、光空分复用技术）OSDM ）、光副载波复用技术（OSCM ）。名词的英文全称。1．光纤时分复用网络 时分复用（time domain multiplexing ）——依时间顺序依次访问一系列传感器。 2．光纤频分复用网络 频域复用:调制频域复用（modulation frequency domain multiplexing, MFDM ） 波分复用（wavelength division multiplexing, WDM ） 1）调制频域复用 2）波分复用 3．光纤空分复用网络 如同打电话方式，一对电缆只供一对电话使用。长距离上用一对电缆同时供许多人通话——复用。如10芯×组×10带光缆 =5120芯，每缆可传1000Tb/s 2．4 光传感网实例——光纤光栅在传感中的应用 光纤光栅在使用中的问题： ① 波长微小位移检测（设备昂贵） ②宽光谱、高功率光源（不易获得）③光检测器波长分辩率的提高（直接关系到光纤光栅灵敏度的发挥） ④交叉敏感的消除（被测量和非被测量之间的相互影响） ⑤光纤光栅的封装（写光栅时去除了保护层，机械强度变差）⑥光纤光栅的可靠性（机械和光学特性抗拉、抗弯、反射率、透射率规定时间内无变化） ⑦光纤光栅的寿命（光栅在高温下会发生退火） 2．4．2 光纤光栅的传感网络 1．光纤光栅的波分复用 2．光纤光栅的时分复用 3．光纤光栅的时分复用和空分复用（略） 4．光纤光栅的空分复用和波分复用（略） 5．光纤光栅的空分、波分和时分复用的组合布 局 第三章 光电传感器中的光纤技 3．4 光纤的损耗 3．5 光纤的色散 （1）多模色散（群速不同） （2）波导色散（模的群速随波长变化） （3）材料色散（材料本身的色散）4）偏振（模）色散（轴不对称HE11x 模与HE11y 正交，光纤的轴不对称，两模群延迟不同。 3．6 光纤的耦合技术（略） 3．7 光纤中光波的控制技术 3．7．1 光纤偏振器 1．光纤偏振控制器 光纤中可利用光弹效应改变偏振态。光纤弯曲时，由应力作用引起折射率的变化 2 133.0? ? ? ??-=?-?=R a n n n y x δ 快轴——弯曲平面内 慢轴——垂直于弯曲平面。 当 m NR n λ πδ= 2|| （ 、、、321=m ），为 m /λ波片。例：m μλ63.0=的红 光， m a μ5.62=的光纤绕成mm R 6.20=的一个圈时，成为4/λ波片，两圈时，成为2/λ波片。 2．保偏光纤偏振器
光电子期末考试参考资料
1-1光电子器件按功能分为哪几类？每类大致包括哪些器件？ 光电子器件按功能分为光源器件、光传输器件、光控制器件、光探测器件、光存储器件、光显示器件。 光源器件分为相干光源和非相干光源。相干光源主要包括激光器和非线性光学器件等。非相干光源包括照明光源、显示光源和信息处理用光源等。 光传输器件分光学元件(如棱镜、透镜、光栅、分束器等等)、光波导和光纤等。 光控制器件包括调制器、偏转器、光开关、光双稳器件、光路由器等。 光探测器件分光电导型探测器、光伏型探测器、热伏型探测器、各种传感器等。 光存储器件分为光盘(包括CD 、VCD 、DVD 、LD 等)、光驱、光盘塔等。 光显示器件包括CRT 、液晶显示器、等离子显示器、LED 显示。 1-2谈谈你对光电子技术的理解 光电子技术主要研究物质中的电子相互作用及能量相互转换的相关技术，以光源激光化，传输波导（光纤）化，手段电子化，现代电子学中的理论模式和电子学处理方法光学化为特征，是一门新兴的综合性交叉学科。 1-5据你了解，继阴极射线管显示（CRT ）之后，哪几类光电显示器件代表的技术有可能发展成为未来显示技术的主体？ 等离子体显示（PDP ），液晶显示（LCD ），场致发射显示（EL ），LED 显示。 第二章光学基础知识与光场传播规律 2-1填空题 ⑴ 光的基本属性是光具有波粒二象性，光粒子性的典型现象有光的吸收、发射以及光电效应等；光波动性的典型体现有光的干涉、衍射、偏振等。 ⑵ 两束光相干的条件是频率相同、振幅方向相同、相位差恒定；最典型的干涉装置有杨氏双缝干涉、迈克耳孙干涉仪；两束光相长干涉的条件是 (0,1,2, )m m δλ==±±，δ 为光程差。 ⑶两列同频平面简谐波振幅分别为 01E 、02E ，位相差为 φ，则其 干涉光强为 22 010201022cos E E E E φ ++，两列波干涉相长的条件为 2(0,1,2, ) m m φπ==±± ⑷波长 λ 的光经过孔径D 的小孔在焦距f 处的衍射爱里斑半径为 1.22 f D λ 。 2-2在玻璃 ( 2.25,1)r r εμ==上涂一种透明的介质膜以消除红外线 (0.75)m λμ=的反射。 ⑴求该介质膜应有的介电常量及厚度。⑵如紫外线(0.42)m λ μ=垂直照射至 涂有该介质膜的玻璃上，反射功率占入射功率百分之多少？ ⑴ 1.5 正入射时，当n ，膜系起到全增透作用 1.225 n 00.75 0.15344 1.225 h m n λμ= = =? ⑵ 正入 射时， 反 射率 为 22 22 0000 2222 0000 22()cos ( )sin 22()cos ()sin G G G G n n nh nh n n n n n n nh nh n n n n ππλλρππλλ-+-= +++正 22 00 22 22000 2()cos 3.57% 22()cos ( )sin G G G nh n n n n nh nh n n n n πλππ- = =+++ 2-5一束波长为0.5 m μ的光波以045角从空气入射到电极化率为20.6 j ＋的介质表面上，求 ⑴此光波在介质中的方向（折射角） 。⑵光波在介质中的衰减系数。 ⑴ 2123n =+ =n 由 112 sin sin n n θθ=得 2sin θ2θ=⑵衰减系数 7 2(0.6)0.6 1.310n r k πλ =-?-= ?=? 2-6输出波长 λ ＝632.8 nm 的He-Ne 激光器中的反射镜是在玻璃上交替涂 覆ZnS 和2 ThF 形成的，这两种材料的折射率系数分别为1.5和2.5。问至少涂覆多少个双层才能使镜面反射系数大于99.5％？ 设玻璃的折射率G n ＝1.5 由题意： 2 2 20220() 0.995() P H H L G P H H L G n n n n n n n n n n λ ρ??-?? ? ?=≥? ?+???? 正，， 即 9975 .0) 5.1/5.2()5.1/5.2(1) 5.1/5.2()5.1/5.2(12 2≤+-p 即 745 .1910025 .0167.49975 .15.15.22=?≥ ?? ? ??p 15 .529.102≈?=p p 故至少涂覆6个双层。 745 .1910025 .0167.49975 .15.15.22=?≥?? ? ??p 15.529.102≈?=p p 故至少涂覆6个双层。 第三章激光原理与技术 3-1填空 ⑴ 最早的电光源是炭弧光灯，最早的激光器是 1960 年由美国的梅曼制作的红宝石激光器。 ⑵ 光在各向同性介质中传播时，复极化率的实部表示色散与频率的关系，虚部表示物质吸收与频率的关系。 ⑶ 激光器的基本结构包括激光工作物质、泵浦源和光学谐振腔。激光产生的充分条件是阈值条件和增益饱和效应，必要条件包括粒子数反转分布和减少振荡模式数。 ⑷ 今有一个球面谐振腔，r1=1.5m ，r2=-1m ，L=80cm ，它属于稳定腔。 3-2试简单说明以下光电子学术语的科学含义： ⑴ 受激辐射 处于激发态E2上的原子，在频率为υ21的外界光信号作用下，从E2能级跃迁到E1能级上，在跃迁过程中，原子辐射出能量为21 h υ、与外界光信号处于同一状态的 光子，这两个光子又可以去诱发其他发光粒子，产生更多状态相同的光子，这样， 在一个入射光子作用下，就可以产生大量运动状态相同的光子，这一发射过程称为受激发射过程。 ⑵ 谱线的多普勒加宽 多普勒展宽是由于气体物质中作热运动的发光粒子所产生的辐射的多普勒频移引起的。 ⑶ 谱线的自然加宽 自然加宽是由于粒子存在固有的自发跃迁，从而导致它在受激能级上寿命有限所形成的谱线加宽。 ⑷ 光放大 光束在激活介质中传播时，设入射端面处光强为0() I υ，距离x 处光强为 ()I υ，且，则2121121212121212 ()()()0()()d dI g N N B h dt I g ρυυυρυυ==->可见光强在激活介质中不断放大。为此，引入激活介质的增益系数G(v) G(v)=dI(v)/I(v)dx 式中，dI(v)是传播距离dx 时的光强的增量。这说明：介质的增益系数在数值上等于光束强度在传播单位长度的距离时，光强增加的百分数。由于dI(v)>0，因而G(v)>0，所以G(v)可以表示光在激活介质当中的放大特性。 3-3计算与推导 （1）λ＝0.5μm 时，什么温度下自发辐射率与受激辐射率相等？T=300K 时，什么波长下自发辐射率相等？ 自发辐射率为A21，受激辐射率为W21。21 2121()w B ρυ=。由 爱因斯坦关系式可知： 33 21213218A h n B c πυ=， 由普朗克公式可知：33 21213 21 81 ()exp()1 h n h c kT πυρυυ= - ， （a ）由题意A21＝W21，故 3 21 exp( )11h kT υ-=， 333483332132363 ln 2ln 2 6.6310(310)0.6931 7.19101.3810(0.510)h hc T K k k υλ---????= ===???? （b ）当T=300K 时， 33483312 23 ln 2 6.6310(310)0.6931 2.997101.3810300 hc kT λ--????= ==??? 41.44210M λ=? （2）He-Ne 激光器的反射镜间距为0.2m ，求最靠近632.8nm 跃迁谱线中心的纵模阶数、纵模频率间隔。如果增益曲线宽度为9 1.510?Hz,则可能引 起的纵模总数是多少？ 解 ： 气 体 的 折 射 率1 n ≈，由 2q c q nL υ= 得 5 9 2210.2 6.3210632.810nL q λ -??= = =?? 纵模频率间隔 8 83107.5102210.2 q c Hz nL υ?= ==??? 实际振荡纵模总数 9 1.5101137.510T q q υυ???? ?=+=+=???? ??????? （3）红宝石激光器的工作物质有特性：732 1510/N N cm -=?、300K 处， 1101 210() Hz g υυ≈ =?，3310s s τ-=?，144.32610Hz υ=?， n=1.78，求其在中心频率处的增益系数G(v)。 解： 因为 12212121212128)2/(1 )2/(g g A N g g N K N g g N G m λ????? ??-=????? ??-= ν λτn c g g A = ==，，212211 所以 ： ()cm v n c N N G m /1046.9)1036.4(78.1102410910541122 1421122072222212-?=??????='?-=πτνπ3-4简述题 ⑴ 简述激光的特点。 激光的特点主要表现在以下四个方面：①激光具有激光极好的方向性② 激光的单色性非常好③激光的相干性好④激光具有极高的亮度和单色亮度。信息光电子技术中所用的光源，着重单色性、高速脉冲性、方向性、可调谐性和高能量密度等。激光正是满足这些条件的最好的光源。 ⑸ 以一个三能级原子系统为例，说明激光器的基本组成和产生激光的基本原理。 激光工作物质提供形成激光的能级结构体系，是激光产生的内因。要产生激光，工作物质只有高能态（激发态）和低能态（基态）是不够的，还至少需要有这样一个能级，它可以使得粒子在该能级上具有较长得停留时间或较小得自发辐射概率，从而实现其与低能级之间得粒子数反转分布，这样得能级称为亚稳态能级。这样，激光工作物质应至少具备三个能级。 泵浦源提供形成激光的能量激励，是激光形成的外因。由于在一般情况下介质都处于粒子数正常分布状态，即处于非激活状态，故欲建立粒子数反转分布状态，就必须用外界能量来激励工作物质。把将粒子从低能态抽运到高能态的装置称为泵浦源或激励源. 光学谐振腔为激光器提供反馈放大机构，使受激发射的强度、方向性、单色性进一步提高。不论哪种光学谐振腔，它们都有一个共同特性，那就是都是开腔，即侧面没有边界的腔，这使偏轴模不断耗散，以保证激光定向输出。而且，谐振腔具有选频作用，只有满足相干条件（即来回一趟相位差改变量是2π的整数倍）的频率的光才有可能产生振荡，从而从自发发射的光谱中选出纵模。 ⑺ 分析激光产生的条件。 激光产生的两个必要条件：粒子数反转分布和减少振荡模式数，要形成稳定的激光输出还要满足起振和稳定振荡两个充分条件。 粒子数反转分布指能级上的粒子数分布满足条件（N2/g2）>(N1/g1)，相应地有dp(v21)>0，表示光束在粒子数反转分布状态下的工作物质中的工作物质中传播时， 光密度将不断增加。称这种状态的物质为激活介质。 要想得到方向性很好、单色性很好的激光，仅有激活介质时不够的，这是因为：第一：在反转分布能级间的受激发射可以沿各个方向产生，且传播一定的距离后就射出工作物质，难以形成极强的光束；第二，激发处的光可以有很多频率，对应很多模式，每一模式的光都将携带能量，难以形成单色亮度很强的激光。欲使光束进一步加强，就必须使光束来回往复地通过激活介质，使之不断地沿某一方向得到放大，并减少振荡模式数目。由于光束在腔内多次的来回反射，极少频率的光满足干涉相长条件，光强得到加强，频率得到筛选，特别是在谐振腔轴线方向，可以形成光强最强、模式数目最少的激光振荡，而和轴线有较大夹角的光束，则由侧面逸出激活介质，不能形成激光振荡。 理论和时间结果表明：当入射光强度足够弱时，增益系数与光强无关，是一个常量；而当入射光强增加到一定成都时，增益系数将随光强的增大而减小，即G(v)应写为G(v,I)。这种G(v,I)随着I 的增大而减小的现象，称为增益饱和效应。它是激光器建立稳态振荡过程的稳定振荡条件。 ⑻ 简述光谱线展宽的分类，每类的特点与光谱线型函数的类型。 一般来讲，谱线展宽分均匀展宽与非均匀展宽两大类。 1. 均匀展宽的特点是：引起均匀展宽的机制对于每一粒子而言都是相同的。任一粒子对谱线展宽的贡献都是一样的，每个发光粒子都以洛伦兹线型发射。均匀展宽又包括自然展宽、碰撞展宽和热振动展宽等。 （a ）自然展宽是由于粒子存在固有的自发跃迁，从而导致它在受激能级上寿命有限所形成的。由于它是粒子本身固有性质决定的，自然存在的，因而称为自然展宽。2 2 2 01 ()14()() 2s N s g τυπυυ= -+可见() N g υ表达式具有洛伦兹型。 （b ）碰撞展宽是由于气体中大量粒子无规则运动而产生的碰撞引起的谱线展宽。 （c ）热振动展宽是由晶格热振动引起的谱线展宽，在固体激光物质中其量级远大于前两者，晶格原子的热振动使发光粒子处于随时间周期变化的晶格场中，引起能级振动，导致谱线展宽，这种展宽与温度关系最大。 2. 非均匀展宽的特点使粒子体系中粒子的发光只对谱线内与其中心频率相对应的部分有贡献，可以区分为线型函数的某一频率范围是由哪些粒子发光所引起的。这种展宽主要包括多普勒展宽与残余应力展宽。Ⅰ （a ）多普勒展宽是由于气体物质中作热运动的发光粒子所产生的辐射的多普勒频移引起的。多普勒展宽的线型函数 2 2 020 1 ()220()()2mc KT D c m g e KT υυυυυπ--= （b ）残余应力展宽是固体激光物质内部残余应力引起的，其中一种是晶格缺陷所 致，非均匀分布的缺陷引起不同位置粒子V0不同；另一种是由物质本身原子无规则排列构成的。这类展宽的解析形式难以求证，常用实验测定。 （10）激光器按激光工作介质来划分可分为几类？ 按激光工作物质的类型有如下划分： ⒈气体激光器 液体激光器 ⒊固体激光器 ⒋半导体激光器 ⑾ 分析同质结半导体激光器与发光二极管的区别与联系。 同质结半导体与发光二极管的联系：正向偏压下，大量电子和空穴分别通过耗尽层注入到p 侧和n 侧，于是导带中存在电子而价带中不存在电子，形成粒子数反转分布； 同质结半导体与发光二极管的区别：发光二极管的结构公差不严格，而半导体激光器需要精确控制制造工艺，以保证两个端面形成极为光滑平整且互相平行的光学谐振腔。当低于激光阈值时，注入式激光器就像一个发光二极管，无规律地发光；当注入芯片的电流增大到某一量值时，就会发生粒子数反转，这时受激原子数目多于低能态原子；从某些激发态原子自发地发出的光子与p-n 结的激发态电子相碰撞，出发更多的光子发射出来，形成受激发射。 ⑿ 简述尖峰振荡效应过程。 不加任何特殊装置的固体脉冲激光器，在一次输出中，激光脉冲的宽度大约时ms 数量级。这个脉冲并不是平滑的，而是包含宽度更窄的短脉冲系列，其中每一个短脉冲宽度只在uS 数量级，并且激励越强，短脉冲的时间间隔越小。这种现象称作迟豫振荡效应或尖峰振荡效应。 ⒀ 激光调Q 技术于锁模技术的脉宽分别在哪个量级？ 调Q 技术可以产生脉宽纳秒量级、峰值功率MW 量级的巨脉冲，锁模技术可以产生皮秒至飞秒量级的超短脉冲。 ⒁ 常见的调Q 方法有哪几种？ ⒈转镜调Q 技术 ⒉染料调Q 技术 ⒊电光调Q 技术 ⒋声光调Q 技术 ⒂ 分别简述几种常见的激光锁模实现方法。 激光器一般有多个不同的振荡模式，他们本身是不关联、非相干的，起振幅与相位彼此独立；如果能使得各个独立模式在时间上同步、振荡相位一致，则总光场是各个模式光场得相干叠加，输出为一超短脉冲，且残余相干得模越多，不均于分布越尖锐，则脉宽越窄、峰值功率越高。这种通过把激光中所有的模耦合在一起并把各个模的彼此相位关系锁定得方法称为锁模，相应得技术称为锁模技术。 实现锁模的方法有很多，大致分为一下几类： ⒈主动锁模 是一种内调制锁模，通过在腔内插入一个电光或声光调制起实现模式锁定，要求调制频率精确地等于激光器的纵模间隔，从而使所有参与振荡的模式相位同步的锁模技术。 ⒉被动锁模 类似染料被动开关，把很薄的可饱和吸收染料盒插入自由运转的环形腔结构激光器谐振腔环路中点，使相反方向的两个脉冲精确同步地到达吸收体 ，发生碰撞，产生相干叠加效应，从而获得有效锁模的碰撞锁模方式。 ⒊自锁模 这是一种通过增益调制来实现锁模的方法。用一台锁模激光器的序列脉冲输出泵浦另一台激光器，在两个激光器光腔长度相等的情况下，激光器的增益收到调制，在最大增益时形成一个脉冲更窄的序列脉冲输出，这就是自锁模技术，或称同步锁模技术。 第四章光波导技术基础 4-1某光纤传输的波段为0.8:0.9um 。若每一路电话带宽为4KHz ，每套彩电节目带宽10MHz ，则该光纤理论上可传送多少路电话或多少套彩电节目？ 光纤传输的频率f=c /λ,故它传输波段为 333*10^14 : 3.75*10^14 Vf=0.417*10^14 能传播的电话数目N1=(0.417*10^14) / (1.04*10^3)=1.04*10^10 能传播的彩电数目N1=(0.417*10^14) / (10*10^6)=4.17*10^6 4-6光纤的基本结构是什么？单独的纤芯可否作为光波导？包层的作用是什么？光纤传输光的基本原理是什么？什么是传输模、辐射模和消逝模？ 光纤由传导光的纤芯（折射率n1）和外层的包层（折射率n2）两同心圆形的双层结构组成，且 n1>n2 。外面再包以一次涂覆护套和二次涂覆护套。 单独的纤芯不能作为光波导，光波导由纤芯和包层共同组成。 包层对纤芯起保护作用，包括增加光纤的机械强度，避免纤芯接触到污染物，以及减少纤芯表面上由于过大的不连续性（即界面两边的折射率差别过大）而引起的散射损耗率。 光波在光纤中传播有3种模式，导模（传输模），漏模（泄漏模）和辐射模。 导模是光功率限制在纤芯内传播的光波场，又称芯模。其存在条件是n2k0<β
第三章传输线理论
第三章传输线理论 本章的目的是概述由集总电路向分布电路表示法过度的物理前提。在此过程中，推导出一个最有用的公式：一般的射频传输线结构的空间相关阻抗表示公式。正如我们知道的，频率的提高意味着波长的减小，该结论用于射频电路，就是当波长可与分立的电路元件的几何尺寸相比拟时，电压和电流不再保持空间不变，必须把它们看做是传输的波。因为基尔霍夫电压和电流定律都没有考虑到这些空间的变化，我们必须对普通的集总电路分析进行重大的修改。本章重点介绍传输线理论，首先介绍传输线理论的实质，再介绍常用的几种传输线，其中重点介绍微带传输线，以及一般的传输线方程及阻抗的一般定义公式。 3.1传输线的基本知识 传输微波能量和信号的线路称为微波传输线。本节主要介绍传输线理论的实质以及理论基础 3.1.1传输线理论的实质 传输线理论是分布参数电路理论，它在场分析和基本电路理论之间架起了桥梁。随着工作频率的升高，波长不断减小，当波长可以与电路的几何尺寸相比拟时，传输线上的电压和电流将随着空间位置而变化，使电压和电流呈现波动性，这一点与低频电路完全不同。传输线理论用来分析传输线上电压和电流的分布，以及传输线上阻抗的变化规律。在射频阶段，基尔霍夫定律不再成立，因而必须使用传输线理论取代低频电路理论。 现在举例说明：分析一个简单的电路，该电路由内阻为R1的正弦电压源V1通过1.6cm的铜导线与负载电阻R2组成。电路图如下： 图3.1 简单电路
并且我们假设导线的方向与z轴方向一致，且它们的电阻可以忽略。我们假设振荡器的频率是1MHz，由公式 (3.1) 10m/s, rε=10, rμ=1 因此可以得到波长其中是相速度，=9.49×7 λ=94.86m.连接源和负载的1.6cm长的导线，在如此小的尺度内感受的电压空间变化是不明显的。 但是当频率提高到10GHz时情况就明显的不同了，此时波长降低到λ=p v/10 10=0.949cm，近似为导线长度的2/3，如果沿着1.6cm的导线测量电压，确定信号的相位参考点所在的位置是十分重要的。经过测量得知电压随着相位参考点的不同而发生很大的不同。 现在我们面临着不同的选择，在上图所示的电路中，假设导线的电阻可以忽略，当连接源和负载的导线不存在电压的空间变化时，如低频电路情况，才能有基尔霍夫电压定律进行分析。但是当频率高到必须考虑电压和电流的空间特性时，基尔霍夫电路定律将不能直接用。但是这种情况可以补救，假如该线能再细分为小的线元，在数学上称为无限小长度在该小线元上假定电压和电流保持恒定值。对于每一段小的长度的等效电路为： 图3.2 微带线的等效电路 但是具体到什么时候导线或者分立元件作为传输线处理，这个问题不能用简单的数字还给以确切的回答。从满足基尔霍夫要求的集总电路分析到包含有电压和电流的分布电路理论的过度与波长有关。此过度是在波长变得越来越与电路的平均尺寸可比拟的过程中，逐渐发生。根据一般的科研经验，当分立的电路元件平均尺寸长度大于波长的1/10时，就应该用传输线理论。例如在本例中1.6cm的导线我们能估算出频率为：
双环光波导电光调制器设计
附件1： 课程设计 题目 学院 专业 班级 姓名 指导教师 年月日
课程设计任务书 学生姓名：刘金猛专业班级：电子科学与技术1301班指导教师：钟毅工作单位：信息工程学院 题目: 双环光波导电光调制器的设计 初始条件： 本设计使用Matlab软件，通过在外加电场的作用下，电光聚合物折射率的变化，从而得到光信号的相位，延时以及频率的变化。 要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及技术要求，以及说明书撰写等具体要求） 1、课程设计工作量：1周。 2、技术要求： 通过使用Matlab编程实现光信号在外加电场的作用下，得出光信号的变化函数。 3、查阅至少5篇参考文献。按《武汉理工大学课程设计工作规范》要 求撰写设计报告书。全文用A4纸打印，图纸应符合绘图规范。 时间安排： 1、20 年月日集中，作课设具体实施计划与课程设计报告格式的 要求说明。 2、20 年月日，查阅相关资料，学习电路的工作原理。 3、20 年月日至20 年月日，方案选择和电路设计。 4、20 年月日至20 年月日，电路调试和设计说明书撰写。 5、20 年月日上交课程设计成果及报告，同时进行答辩。 指导教师签名：年月日 系主任（或责任教师）签名：年月日
摘要 在分析微环谐振调制器时，传统的静态耦合模理论无法对微环谐振器的动态特性进行准确的分析，因此研究可获得精确结果、且利于计算机编程的动态分析方法十分必要。此外，设计可获得高质量调制输出信号，且调制带宽大、调制电压低的微环谐振调制器非常重要。 随着社会的发展和科技的进步，人们对通信网络提出了高速度和大容量的要求，光纤通信应运而生。集成光学器件不仅是光纤网络的重要组成部分，而且促进了光纤通信的发展。作为集成光学中的关键器件，光调制器是高速、长距离光通信中不可或缺的一部分。由于微环谐振调制器体积小、集成度高，功耗低，因此被广泛应用于集成光电子器件中。 关键词：谐振器，调制器，调制特性，带宽
第11讲平面介质波导
第十一讲 平面介质波导（3学时） 参考书 秦秉坤 孙雨南《介质光波导及其应用》 1. 波导 源于微波。传输及束缚。 平面波导、条形波导（带状波导）和圆柱形波导（光纤） 光线理论和波动理论（为主）。波导截面很小（大与小），不可忽略波动性 Maxwell 方程组（适于所的波导），边界条件求解。 平面波导：一维边界条件。条形波导：二维直角坐标。光纤：二维柱坐标。 求解传播常数、模式、截止波长等 2. 全反射 数值孔径NA （入射、出射光的角度，与耦合效率有关） ? =-==-≈ -=?2sin 212 2211212 12 221n n n NA n n n n n n c θ 波矢量k ：空间传播特性（E=E 0exp[j(ωt-kr )]） （纵向）传播常数β（模式传播速度、色散） 折射定律另一形式：（纵向）传播常数相同（n 1sin θ1= n 2sin θ2）。β越大：越平行光轴 ) ( )( )(0 1122不可能全反射条件折射βββ<<<<