SOI光波导器件研究进展及应用
SOI光波导器件前沿研究
光电信息学院
赵正松
2011059050025摘要：SOI（Silicon-on-insulator绝缘衬底上的硅）是一种折射率差大、波导传输损耗小的新型材料，SOI基光电子器件具有与微电子工艺兼容、能够实现OEIC单片集成等优点，近年来随着SOI晶片制备技术的成熟,SOI 基波导光波导器件的研究日益受到人们的重视.介绍了弯曲波导、光耦合器、可
调谐光衰减器、光调制器和光开关等常见的SOI基光波导器件的一些研究进
展。
引言：光纤通讯网络中，波分复用（WDM）是提高传输速率和扩大通讯容量的理想途径:通过在单根光纤中多个波长的复用，可以充分利用光纤巨大的带宽资源,实现不同数据格式信息的大容量并行传输，同时又可降低对器件的超高速要求。
在WDM网络中，网际间交叉互联（OXC）光信号上下载路（OADM）,以及波长变换等关键技术的实现使得WDM 网络具有高度的组网灵活性、经济性和可靠性。
在WDM光网络中，网际OXC和节点OADM功能是最核心的技术，光滤波器、光耦合器、光开关、可变光衰减器、波长变换器、复用与解复用器等是最关键的器件[1].在基于各种材料的光波导器件中,硅基光波导器件格外引人注目。
硅基光波导材料有SOI絶缘体上的硅）、SiO2/Si和SiGe/Si等多种.硅基光波
导的优势在于:硅片尺寸大、质量高、价格低;硅基光波导材料具有较大的折射率差，便于缩小器件尺寸和实现平面光波回路（PLC单片集成；电学性能好，易于控制, 具备光电混合集成的潜力;机械性能好,加工方便,可以光刻腐蚀成各种三维光波导结构；硅的热导性和热稳定性好,可以直接用作集成芯片的热沉,器件封装结构简单.最重要的是硅的加工工艺与传统微电子工艺兼容,适合低成本制作硅基光电子集成（OEIC芯片。
本文主要研究的SOI硅基光波导材料全名为Silicon On Insulator是指硅晶体管结构在绝缘体之上的意思，原理就是在Silicon （硅）晶体管之间，加入绝缘体物
质，可使两者之间的寄生电容比原来的少上一倍。优点是可以较易提升时脉，并减少电流漏电成为省电的IG原本应通过交换器的电子，有些会钻入硅中造成浪费。SOI 可防止电子流失。摩托罗拉宣称中央处理器可因此提升时脉20%，并减低耗电30%。除此之外，还可以减少一些有害的电气效应。还有一点，可以说是很多超频玩家所感兴趣的，那就是它的工作温度可高达300°C,减
少过热的问题。
SOI一开始是由美商IBM公司的芯片部门投入开发，最早用于MAC电脑的PowerPCG4处理器，除了IBM外，还有Motorola、德州仪器、NEC等公司投入SOI技术的开发工作。但是Intel公司拒绝在其处理器产品中使用SOI技术，因为其认为SOI技术容易影响晶圆品质与减低晶体管交换速度，并且SOI上接合点也会减少，也就是一般制程中“漏电”的缺点所烦恼。接下来本文将主要介绍几种常见的SOI基光波导器件包括弯曲波导、光耦合器、光衰减器、光调制器和光开关等近年来在国际国内的研究进展。
弯曲波导：在光学器件中,为了改变光束的传播方向经常需要使用弯曲波导.对于SOI脊形波导来说，虽然导波层硅和限制层二氧化硅之间的折射率差很大（硅为315,二氧化硅为1145）,波导在垂直方向上对光的限制很强,但是波导在水平方
向上对光的限制是通过脊形结构实现的，这种限制较弱.因而当SOI波导发生弯曲时,弯曲损耗将会不可避免,甚至会成为器件的主要损耗来源.因此,采取措施减小弯曲损耗很有必要.减小弯曲损耗主要有两类方法: 1）选取合适的波导宽度、刻蚀比、弯曲半径参数值;2）采用特殊的弯曲结构,如在弯曲波导外侧刻槽,在波导连接处引入偏移等.波导的弯曲损耗随着弯曲半径、刻蚀比、波导宽度的增大而减小.减小弯曲半径将使有效折射率分布的斜率增大,光场中心向弯曲外侧偏移,使光场
泄漏增大;对脊形弯曲波导进行深刻蚀,脊区与两侧平板区有效折射率的差异会增大,能减小弯曲损耗;波导宽度越大,波导边界处光场分量就越小,也能减小弯曲处光场泄漏。
光耦合器：耦合器是光纤通信中实现光信号分路合路的功能器件,是光学中最基本也最常见的一种器件,在光网络中有着广泛的应用.它可以构成分束器、光衰减器、马赫曾德干涉仪、光开关和环形激光器等各种光波导器件,是其他器件
的基础?有研究人员制作了132单模T分支耦合器，其SOI脊型波导宽度为6卩m波导内脊高为815卩m刻蚀深度为3卩m器件的两个分支的损耗分别为510dB和
512dB分光比为52 : 48.多模干涉耦合器是近年来出现的一种新型耦合器，它的基本原理是基于多模波导中光场的自映像效应,具有带宽宽、对偏振不敏感,器件制作容差大等优点,非常适合DWDM 光网络的应用。而研究人员制作的434 普通双曲锥形多模干涉耦合器输出通道的功率不均衡性小于0136dB,器件长度比普通矩
形多模干涉耦合器缩短了46%随着工艺技术的改进,2005年CMOS工艺生产线的线宽已经达到90 nm,其制作精度也达到了1?10 nm.为了进一步缩小器件长度，人们开始采用纳米线波导代替传统大尺寸波导来制作波导器件。Yamada H , Chu T首次报道了一种基于纳米线波导的定向耦合器，两个耦合波导的横截面尺寸为013卩
m3013卩间距仅为013卩n如下图所示，由于两个波导之间很强的耦合作用,定向耦合器的耦合长度仅为10卩m当耦合波导之间的间距减少时，波导长度还可以进一步缩短.由此可以制作出结构非常紧凑的3 dB耦合器.
光衰减器：可调谐光学衰减器（VOA作为光纤通信系统中的重要器件，广泛用于WDM 系统中信道的功率均衡、某些器件的过功率保护、构成其它光电功能模块以及有线电视网络节点处的功率均衡.Lin Yang , Y ulia ng Li等人采用传统的半导体工艺制作了多模干涉型光衰减器,输入输出波导采用多模波导,且在输入输出波导、多模干涉区和调制区的节点处采用大张角的锥形波导来进行连接,在不
影响其衰减范围和响应速度的前提下显著降低了插入损耗?其在1525?1565nm
波长范围内的插入损耗为113?319dB,最大衰减量为26dB,最大电功耗为369mW，响应时间为100卩基本上能够满足系统对光学衰减器低插入损耗、大衰减范围、快响应速度和宽光谱带宽的要求。Bookham公司的I.Day等人在2003
年的OFC上报道了基于Si的等离子色散效应的可变光衰减器.在器件的输入输出端采用了选择外延形成的模斑变换器,使输入输出端面和标准光纤的耦合损耗小于015dB.整个器件在1530?1590nm的波段内的插入损耗在1dB左右，偏振相关损耗小于011 dB器件响应时间小于300 ns.
光调制器：光调制器是一种重要的有源器件,它在光通信、光计算等领域都有广泛的应用.硅是中心对称晶体,一阶电光效应极其微弱.虽然硅的热光系数较大，但受自身导热性质的限制，热光调制器的调制频率无法超过1MHz,要实现高速调制只能通过等离子色散效应. Intel 公司在2004 年初利用成熟的微电子工艺在SOI上实现了调制速率达到1 GHz的光调制器。器件采用MZI结构，调制区和
CMOS二极管相似，如下图所示，由于电容两侧的载流子注入是在偏压作用下做漂移运动，而不像P - i - n结中载流子注入是扩散过程，因此它的调制速率大大提高?
器件的插入损耗为1513dB.其后他们进一步优化设计，通过缩小脊形波导的尺寸，将波导截面尺寸从215a m3213u m降低到116a 口3110 n并用
ELO(e pitaxiallateralovergrowth)技术生长出的单晶硅代替脊区的多晶硅，将调制频率提高到了10GHz 插, 入损耗为19 dB。
光开关：Si是一种很好的热光开关材料，具有大的热光系数和高的热导率，在波长为1155" 时，分别为1186310 - 4/ K和156 W/ m2K.因此SOI热光开关的响应速度比其它材料如SiO2和聚合物的要快，可以达到as量级甚至更小.热光开关通常采用MZI 结构.它们都是在介质材料上先做上波导结构,然后在波导上蒸镀金属膜加热器,当金属膜通电发热时,其下面的波导折射率就会发生变化,从而实现对光的调制?美国Columbia大学的Osgood小组2003年制作的131MZI热光开关采用了016a m3012Qi m的矩形截面的单模波导?在波长1155am时，开关功耗50mW,开关时间小于315a S由于波导截面尺寸太小，由边界粗糙造成的散射损耗很大，且和光纤的耦合损耗很大.传输损耗和耦合损耗使得整个开关的插入损耗高达32 dB。Bookham公司的A. House等人在OFC2003上报道了232的MMI2MZI热光开关,单模波导采用大截面脊型波导结构.开关性能如下：开关功耗400mW,响应时间10± 2 a 消光比2315dB附加损耗110dB芬兰Helsinki大学和VTT研究所在2004年共同报道了232的MZI热光开关［16 ］，开关是基于10 a 口39卩曲勺大截面脊型SOI单模波导?开关由数字信号处理器和简单的电子回路驱动，采用差分控制技术获得快速响应，响应时间小于1 a s在大规模开关阵列研究方面，中科院半导体所［17］报道了16316光开关阵列，器件的消光比为1318dB?2412dB开关单元采用MMI2MZI 结构的232开
关，开关单元的功耗为210 mW?230 mW响应时间小于3卩S将SOI纳米线
引入到热光开关中,有助于器件尺寸和功耗的减小。
SOI应用：SOI材料是应用于硅基光电子学中的一种重要的光波导材料，在光电子学领域有很多具体的应用，如在热光器件、电光器件、亚微米波导器件与光纤的耦合器等方面的应用。
热光器件：热光器件指的是利用材料的热光效应所制成的光波导器件。所谓热光效应是指光介质的光学性质(如折射率)随温度变化而发生变化的物理效应。典型的硅基热光开关材料有SiO2、Si 等。硅基热光波导器件相对于其他类型的光开关调制器件有明显的优点，如制作简单、成品率高、成本低、易于集成等。然而缺点也很
突出，如开关时间长(毫秒，微秒
量级)，但是这些缺点在一定程度上可以通过结构上的精心设计加以改进。比如适当增加调制区长度缩短开关时间、采用紧凑的结构减小器件尺寸和功耗等。这些改进也使得热光开关成为光网络，尤其是大容量光网络看好的光开关，尤以SiO2和SOI热光开关阵列的发展让人瞩目。
Si 是一种很好的热光开关材料，具有大的热光系数和高的热导率，在波长为1. 55am时，分别为1. 86310-4 /K和156 W/m2K。因此SOI热光开关的响应速度比其他材料如SiO2和聚合物的要快，可以达到微秒量级甚至更小。目前国际上SOI热光开关的研究成果主要有：芬兰Helsinki大学和VTT研究所在2004 年共同报道了232的马赫—曾德干涉仪(Mach-Zehnderinteferometer, MZI)热光开关，开关是基于10a m39n m的大截面脊型SOI单模波导。开关由数字信号处理器和简单的电子回路驱动，采用差分控制技术获得快速响应，响应时间小于1a。在大规模开关阵列研究方面，中科院半导体所报道了16316光开关阵列，
器件的消光比为13. 8—24. 2dB,开关单元为采用多模干涉(multimode interferometer , MMI)耦合器作为分束/合束器，MZI结构的22开关，如下图所示，开关单元的功耗为210?230 mW,响应时间小于3a。将SOI纳米线引入到热光开关中，有助于器件尺寸和功耗的减小。虽然热光器件制作简单，但由热光效应所决定了其器件响应速度相对较慢。即使是热光系数很大的SOI器件，
利用过冲驱动的方式也只能使其工作速率提高到MHz量级，难以实现更高的比
如GHz的工作速率。因此，对于器件调制速率要求比较高的场合，将目光转向响应时间在纳秒量级的电光器件也是必然的选择。当然热光波导器件的研究成果也为电光器件的研制打下了良好的基础。
电光器件：高速电光调制器不仅是未来光交叉互连(OXC和光分插复用(OADM)系统中的核心器件，而且在芯片光互连和光计算技术中也具有很大的应用前景。高速硅基调制器是除了硅基光源之外最具有挑战性的领域,研究意义重大。而硅作为一种中心反演对称得晶体，没有线性电光效应，P ockels线性电光系数为零。硅中的Kerr效应也非常弱，即使加104?33105 V2Cm- 1的电场，产生的折射率改变也仅为10- 8?10- 5。因此人们一度认为实现硅基高速调制是不可能的。然而SOI材料以它在成本、制作工艺、电学与光学特性等方面巨大的优势，仍吸引着研究人员不懈努力，终于在近几年取得了突破。目前高速的光调制和开关一般
都是利用硅材料的等离子色散效应来实现。通过在光波导上集成不同的电学结构可以实现自由载流子的注入、积累、耗尽或反转，使载流子浓度发生改变，从而引起折射率（或吸收系数）的相应变化。常用的电学结构有正向偏置PIN二极管、反向偏置PN结、MOS电容以及场效应晶体管（FET）等。2008年，In tel公司报道的硅基调制器测试得到的3dB带宽高达33 GHz并实现了40 Gb /S的非归零（NRZ信号调制。该调制器由硅基波导型MZI干涉器和反向PN结结构构成。在调制器工作时对PN结施加反向偏压，结区附近的电荷耗尽区便会展宽，耗尽区内折射率随之增加。由于耗尽区内的折射率变化较小，需通过合理设置PN结位置来实现光场与耗尽区的良好重叠。基于类似原理的高速调制器件还有C. A. Barrios等人提出的调制区结构为F- P腔的电光调制器以及Q. Xu等人提出的基于SOI脊形波导的微环结构电光调制器，特别是后者，响应时间可以低至200 ps
随着高速电光调制器件的研制成功，人们必然进一步再追求小尺寸、集成度高的硅波导器件。而扩大器件规模的关键就是减小单个波导的尺寸。现在半导体工艺的加工能力的提高为其提供了方向。半导体加工工艺已经进入了光波波长的范围，人们可以很容易地设计加工出小于光波波长（350?400 nm）的各种亚微米光波导结构。当然亚微米波导器件的出现也带来了与光纤耦合困难的问题，因此各种耦合器件的研究也就应运而生。
结束语：SOI材料近年来在光电子学领域的广泛应用不仅得益于成熟和商品化的SOI材料制备技术，也有赖于对新型的器件结构的探索以及不断发展进步的基于硅材料的微纳米加工技术，而SOI光电子工艺与标准CMOS工艺完全兼容,为实现低成本高集成度的光电子回路提供了可能，因此基于SOI的集成光电子器件必然是，也的确一直是光学中的一个重要部分。SOI基光波导器件的研究必
然会促进用于DWDM通讯系统的低成本SOI光电子集成芯片的迅速发展。
光子晶体波导慢光特性研究
第31卷 第1期光 学 学 报Vo l.31,N o.12011年1月 ACTA O PT ICA SINICA January,2011 光子晶体波导慢光特性研究 曲连杰 杨跃德 黄永箴 (中国科学院半导体研究所集成光电子学国家重点联合实验室,北京100083) 摘要 基于二维三角晶格空气孔光子晶体,通过在光子晶体单线缺陷波导两侧引入不同的耦合腔,设计了慢光特性较好的波导结构。利用平面波展开法计算波导的色散曲线,并分析慢光模式的群速度和群速度色散特性。耦合腔采用单缺陷腔时,适当调节波导宽度可以获得在零色散点群速度为0.0128c 的慢光模式,对应在1.55 m 波长处的带宽为409GH z 。耦合腔采用长轴与波导方向呈60 的双缺陷腔,在超原胞大小为4a 9b(a,b 分别为光子晶体在x ,y 方向的周期)时,通过调整波导宽度,可以获得在零色散点群速度为0.0070c 的慢光模式,对应在1.55 m 波长处的带宽为226GH z 。进一步增大沿波导方向上双缺陷腔之间的距离,可以获得在零色散点群速度为0.0011c 的慢光模式。同时可以根据具体情况选择合适的波导宽度参数,设计满足不同要求的慢光波导结构。关键词 光通信;光子晶体波导;平面波展开法;慢光;零色散点 中图分类号 T N929.11 文献标识码 A doi :10.3788/AOS 201131.0113002 Slow Light Characteristics of Photonic Crystal Waveguides Qu Lianjie Yang Yuede Huang Yongzhen (St a te K ey La bor a tor y on In tegr a ted Optoelect r onics ,Instit ute of Sem icondu ct or s , Chinese Aca dem y of S ciences ,Beijin g 100083,China ) Ab stract Based on two dimensional triangular lattic e air hole photonic crysta l,a kind of waveguide structure with good slow light charac teristics is proposed by induc ing coupled cavity on both sides of the photonic crysta l single line defected waveguides.The energy band structure,group velocity and group veloc ity dispersion characteristics of slow light mode are analyzed by plane wave expansion method.For the waveguide structure using single defec t cavity as c oupled cavity,the group velocity of 0.0128c at the zero dispersion point with the ba ndwidth of 409GHz in the 1.55 m wavelength could be obtained by appropriately adjusting the waveguide width.As for the waveguide structure using two defect cavity as coupled cavit y with the super cell of 4a 9b ,the group velocity c an reach 0.0070c at the zero dispersion point with the bandwidth of 226GHz in the 1.55 m wavelength by adjusting the waveguide width.To further increase the distance between the two defec t cavities,the slow light m ode with group velocity of 0.0011c at the zero dispersion point could be obtained.Besides,the slow light waveguide can meet different requirements by selecting the appropriate width of waveguide.Key words optica l communications;photonic crystal waveguides;plane wave expansion method;slow light;zero dispersion point OCIS codes 130.5296;060.4510 收稿日期:2010 01 01;收到修改稿日期:2010 04 20 基金项目:国家973计划(2006CB302804)和国家自然科学基金(60777028,60723002,60838003)资助课题。作者简介:曲连杰(1982!),男,硕士研究生,主要从事光子晶体方面的研究。E mail:qulianjie@https://www.360docs.net/doc/0711303037.html, 导师简介:黄永箴(1963!),男,博士,研究员,主要从事半导体光电子器件方面的研究。E mail:yzhuang @https://www.360docs.net/doc/0711303037.html, (通信联系人) 1 引 言 光子晶体有很多独特的性质,可以应用于各种光学器件 [1,2] 。慢光效应就是它的一个很重要的特 性,可以实现大的时间延迟 [3,4] 、增加相移 [5] 、大色散 或者零色散[6,7] 以及增强非线性效应[8,9] 等作用,在 光学延时线、全光缓存和全光可调谐开关等领域引
平面光波导(PLC, planar Lightwave circuit)技术
平面光波导(PLC, planar Lightwave circuit)技术 随着FTTH的蓬勃发展，PLC(Planar Lightwave Circuit,平面光路)已经成为光通信行业使用频率最高的词汇之一，而PLC的概念并不限于我们光通信人所熟知的光分路器和AWG，其材料、工艺和应用多种多样，本文略作介绍。 1.平面光波导材料 PLC光器件一般在六种材料上制作，它们是：铌酸锂（LiNbO3）、Ⅲ-Ⅴ族半导体化合物、二氧化硅（SiO2）、SOI（Silicon-on-Insulator, 绝缘体上硅）、聚合物（Polymer）和玻璃，各种材料上制作的波导结构如图1所示，其波导特性如表1所示。 图1. PLC光波导常用材料 铌酸锂波导是通过在铌酸锂晶体上扩散Ti离子形成波导，波导结构为扩散型。 InP波导以InP为称底和下包层，以InGaAsP为芯层，以InP或者InP/空气为上包层，波导结构为掩埋脊形或者脊形。 二氧化硅波导以硅片为称底，以不同掺杂的SiO2材料为芯层和包层，波导结构为掩埋矩形。 SOI波导是在SOI基片上制作，称底、下包层、芯层和上包层材料分别为Si、SiO2、Si和空气，波导结构为脊形。 聚合物波导以硅片为称底，以不同掺杂浓度的Polymer材料为芯层，波导结构为掩埋矩形。 玻璃波导是通过在玻璃材料上扩散Ag离子形成波导，波导结构为扩散型。
表1. PLC光波导常用材料特性 2.平面光波导工艺 以上六种常用的PLC光波导材料中，InP波导、二氧化硅波导、SOI波导和聚合物波导以刻蚀工艺制作，铌酸锂波导和玻璃波导以离子扩散工艺制作，下面分别以二氧化硅波导和玻璃波导为例，介绍两类波导工艺。 二氧化硅光波导的制作工艺如图2所示，整个工艺分为七步： 1)采用火焰水解法（FHD）或者化学气相淀积工艺（CVD），在硅片上生长一层SiO2，其 中掺杂磷、硼离子，作为波导下包层，如图2（b）所示； 2)采用FHD或者CVD工艺，在下包层上再生长一层SiO2，作为波导芯层，其中掺杂锗离 子，获得需要的折射率差，如图2（c）所示； 3)通过退火硬化工艺，使前面生长的两层SiO2变得致密均匀，如图2（d）所示。 4)进行光刻，将需要的波导图形用光刻胶保护起来，如图2（e）所示； 5)采用反应离子刻蚀（RIE）工艺，将非波导区域刻蚀掉，如图2（f）所示； 6)去掉光刻胶，采用FHD或者CVD工艺，在波导芯层上再覆盖一层SiO2，其中掺杂磷、 硼离子，作为波导上包层，如图2（g）所示； 7)通过退火硬化工艺，使上包层SiO2变得致密均匀，如图2（h）所示。 图2. 二氧化硅光波导的制作工艺 玻璃光波导的制作工艺如图3所示，整个工艺分为五步： 1)在玻璃基片上溅射一层铝，作为离子交换时的掩模层，如图3（b）所示； 2)进行光刻，将需要的波导图形用光刻胶保护起来，如图3（c）所示；
平面集成光波导器件综述
平面集成光波导器件综述 1 引言】 光纤通信网络中使用了多种光器件和光电器件.这些器件中的光学部分通常为三种结构：微光学结构、纤维光学结构和集成光学结构。1969年https://www.360docs.net/doc/0711303037.html,ler首先提出集成光学器件的设想，即在一个细小的基片上实现光发射、光探测、光耦合、光分支、光波分复用、光滤波、光开关等一种和几种功能，达到器件的微型化和实现高功能密度。平面光波导技术和平面微制造技术的成功结合使这一设想变为现实。历经三十年的研究开发，目前已有一些平面集成光波导器件达到了商用化。 【2 制作器件的主要材料】 制备这些光器件和光电器件的主要材料有：InGaAsP/InP、SiO2、Si、LiNbO3和某些聚合物材料。表1 给出这几种材料的基本特性。 InGaAsP/InP是其中唯一的兼有有源和无源功能的材料，因而一直是单片集成光/光电器件研究开发的首选对象。以Si光波导为基础的混合集成收发信机已商品化。Si波导除了有很好的无源光学特性外，还具备载流子控制型的光电调制特点。聚合物材料波导光开关已产品化，聚合物材料波导无源器件也已取得重大进展。SiO2波导可用于制作性能优良的无源器件，由于制备器件所必须的理论设计、技术设备、工艺水平、材料来源等均已成熟或基本成熟，因而已形成以SiO2波导平面光波导线路（PLC）为基础的光集成器件规模生产。同时SiO2波导可以实现与有源器件的混合集成。SiO2 PLC的应用价值越来越受到关注，下面主要就SiO2 PLC器件和制造方法作一些基本介绍。 【3 二氧化硅波导基本工艺】 有几种代表性的二氧化硅波导制备技术，分别是：火焰水解（FHD）＋反应离子刻蚀（RIE），化学气相沉积（CVD）＋RIE，物理气相沉积（PVD）＋RIE。其中FHD采用SiCl4、GeCl4为主要原料，通过氢氧焰提供的高温，与氧反应生成SiO2、GeO2微细粉末层，而后在1300℃左右的高温中退火形成光学薄膜，其中GeO2等作为掺杂物质控制导波的折射率。CVD采用硅烷、锗烷或SiCl4、GeCl4,通过射频源激活与氧在等离子体状态下反应形成光学薄膜。PVD以电子束蒸发或溅射方法沉积SiO2光学薄膜。RIE 对波导膜进行导波线路的刻制。薄膜必须具有高的光学质量，因为光波是平行于薄膜表面传播的，路径通常有几厘米。薄膜尤其要有很好的折射率均匀性，因为控制光传输方向的导波层折射率n+苙与覆盖层（n）的折射率的差（苙）是很小的，苙/n在一定范围是单模条件所要求的，如n＝1.46, 苙＝0.0037，由此可知， 折射率均匀性要高，否则波导的质量无法保证。 【4 二氧化硅光波导器件】 4.1 SiO2 PLC的基本单元 平面波导器件的线路可以设计得很复杂，但基本上是由以下的基本单元构成的（图1）。直条、分支、弯曲、交叉是最简单和常用的。间隙是指在波导路径上刻出一段10祄左右的空间，插入滤波片等微小元件，以提高器件的指标。耦合是相距几祄的两波导间通过模场的相互作用，使光传输路径或强度发生改变。相移单元是利用SiO2折射率的热敏特性n（T），通过局部加热电极使n改变从而改变光的有效光程也即改变相位，热光开关就是根据这一原理制作的，例如dn/dT＝1×10－5时，10mm长的波导升温6.5℃，即产生180度相移（1.55祄）。应力单元是指在一波导的附近刻出沟槽或镀膜，使该波导局部所受应力发 生变化，从而调节器件的性能。
集成光波导
集成光波导 姜雨萌 12204107 集成光学是关于如何在基片上构造光器件与光网络的学科，与电子集成电路技术相类似。通常，也用集成光电子学与集成光子学来描述这个领域。光子学本身就是光学与电子学相结合产生的学科。集成光学提供将光器件与电器件组合在同一衬底上，以便制造出具有特定功能的系统或子系统知识。集成光器件的尺寸通常在光波长量级，并且具有集成电路的许多优点，如工作稳定、尺寸小以及潜在的低成本。利用集成光学技术，可以设计完整的光发送机、接收机以及中继器，通过光纤实现长距离的光互连。 电磁波主要在中间层传输，其折射率为n1。中间层通常很薄，一般小于一个微米，称为薄膜。薄膜夹在折射率分别为n2和n3的敷层与衬底之间。光线通过内全反射被束缚在中心薄膜中。只有当n2和n3都小于n1时才会发生内全反射。可求得衬底界面上的临界角为 1sin 2n n c =θ, 敷层界面上的临界角可由下式求出1 3sin n n c =θ。
中心薄膜的不均匀性也会使光产生散射从而增加损耗。为了有效地传播光信号，材料的吸收损耗必须很低。对n2=n3的对称结构，我们尤其感兴趣，因为这与光纤的结构很相似。与其类似。光纤由折射率为n1的纤芯以及折射率为n2，包围纤芯的包层组成。n3=1.0的非对称波导也比较重要，这也就是顶部露在空间的集成光路结构。这种情况下，n2是衬底的折射率。 中心薄膜的场是平面波，按角度θ向上传播，另一个以相同角度向下传播。这些波的传播因子可写成k=10n k ,其中，0k 是自由空间的传播因 子。 若被导波的净传播方向是在水平方向上。传播因子在这个方向上的分量为θθβsin sin 10n k k ==，通常称之为纵向传播因子。 折射率的定义是光在自由空间的速度与其在无界介质中的速度的比值。等效折射率eff n 等于自由空间中的光速度与波导中的相速度之比， 也就是ωβ/c n eff =。
光子晶体及其器件的研究进展
深圳大学研究生课程论文题目光子晶体及其器件的研究进展成绩 专业 课程名称、代码 年级姓名 学号时间2016年12月 任课教师
子晶体及其器件的研究进展 摘要：光子晶体是一种具有光子带隙的新型材料，通过设计可以人为调控经典波的传输。由 于光子晶体具有很多新颖的特性，使其成为微纳光子学和量子光学的重要研究领域。随着微加工技术的进步和理论的深入研究，光子晶体在信息光学以及多功能传感器等多个学科中也得到了广泛应用。本文介绍了光子晶体及其特征，概述了光子晶体器件的设计方法和加工制作流程，论述现阶段发展的几种光子晶体器件，并对光子晶体器件的发展趋势做了展望。 关键词：光子晶体；光子晶体的应用；发展趋势 Research progress of photonic crystals and devices Abstract：Photonic crystal is a new material with photonic band gap, which can regulate the transmission of classical wave artificially. Because it has many novel properties of photonic crystal, which is becoming an important research field of micro nano Photonics and quantum optics. With the progress of micro machining technology and theoretical research, photonic crystals have been widely used in many fields such as information optics and multifunction sensors. This paper introduces the photonic crystals and its characteristics, summarizes the design method and process of the photonic crystal devices in the production process, discusses several kinds of photonic crystal devices at this stage of development, and the development trend of photonic crystal devices is prospected. Key words：Photonic crystal; application of photonic crystal; development trend 1引言 在过去的半个世纪里，随着人们对电子在物质尤其是半导体中运动规律的研究，使得对电子控制能力的增加，从而产生了各种微电子器件以及大规模的集成电路，推动了电子工业和现代信息产业的迅猛发展，半导体技术在人们生活中扮演着越来越重要的角色。目前半导体技术正向着高速化和高集成化方向的发展，不可避免地引发了一系列问题。当信息处理的频率和信号带宽越来越高时，通过金属线传输电子会带来难以克服的发热问题和带宽限制；而线宽减小到深纳米尺度时，相邻导线的量子隧穿效应成为电子器件发展的重要瓶颈。这迫使人们越来越关注光信息处理技术，并尝试用光器件来替代部分传统电子器件，以突破上述瓶颈限制。实现这一目标的关键在于如何将光子器件尺寸降低至微纳米量级，并能与微电子电路集成在同一芯片上。 目前比较有效的方法有三种：纳米线波导，表面等离子体和光子晶体。其中，光子晶体具有体积小、损耗低和功能丰富等多种优点，被认为是最有前途的光子集成材料，称为光子半导体[1]，它是1987年才提出的新概念和新材料。这种材料有一个显著的特点是它可以如人所愿地控制光子的运动。由于其独特的特性，光子晶体可以制作全新原理或以前所不能制作的高性能光学器件，在光通讯上也有重要的用途，如用光子晶体器件来替代传统的电子器件，信息通讯的速度快得
SOI光波导器件研究进展及应用
SOI光波导器件前沿研究 光电信息学院 赵正松 2011059050025摘要：SOI（Silicon-on-insulator绝缘衬底上的硅）是一种折射率差大、波导传输损耗小的新型材料，SOI基光电子器件具有与微电子工艺兼容、能够实现OEIC单片集成等优点，近年来随着SOI晶片制备技术的成熟,SOI 基波导光波导器件的研究日益受到人们的重视.介绍了弯曲波导、光耦合器、可 调谐光衰减器、光调制器和光开关等常见的SOI基光波导器件的一些研究进 展。 引言：光纤通讯网络中，波分复用（WDM）是提高传输速率和扩大通讯容量的理想途径:通过在单根光纤中多个波长的复用，可以充分利用光纤巨大的带宽资源,实现不同数据格式信息的大容量并行传输，同时又可降低对器件的超高速要求。 在WDM网络中，网际间交叉互联（OXC）光信号上下载路（OADM）,以及波长变换等关键技术的实现使得WDM 网络具有高度的组网灵活性、经济性和可靠性。 在WDM光网络中，网际OXC和节点OADM功能是最核心的技术，光滤波器、光耦合器、光开关、可变光衰减器、波长变换器、复用与解复用器等是最关键的器件[1].在基于各种材料的光波导器件中,硅基光波导器件格外引人注目。 硅基光波导材料有SOI絶缘体上的硅）、SiO2/Si和SiGe/Si等多种.硅基光波 导的优势在于:硅片尺寸大、质量高、价格低;硅基光波导材料具有较大的折射率差，便于缩小器件尺寸和实现平面光波回路（PLC单片集成；电学性能好，易于控制, 具备光电混合集成的潜力;机械性能好,加工方便,可以光刻腐蚀成各种三维光波导结构；硅的热导性和热稳定性好,可以直接用作集成芯片的热沉,器件封装结构简单.最重要的是硅的加工工艺与传统微电子工艺兼容,适合低成本制作硅基光电子集成（OEIC芯片。 本文主要研究的SOI硅基光波导材料全名为Silicon On Insulator是指硅晶体管结构在绝缘体之上的意思，原理就是在Silicon （硅）晶体管之间，加入绝缘体物
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
几种典型光子晶体波导器件及应用
第2期 2017年4月 微处理机 MICROPROCESSORS No.2 Apr. ,2017 ?大规模集成电路设计、制造与应用? 几种典型光子晶体波导器件及应用* 金伟华\吕金光2,王维彪2,梁中翥2,秦余欣2,梁静秋2 (1.国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心光电部，北京100083; 2.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室，长春130033) 摘要:光子晶体是一种周期性的人工微结构，由不同介电常数的材料在空间周期性排列构成。 光子晶体具有光子禁带和光子局域特性，依据光子晶体结构设计和制作的二维光子晶体器件具有微 型化、高集成度和性能优良的优点，在大规模集成光路和全光网络中具有十分重要的应用前景。重点 介绍了几种典型的二维光子晶体器件的结构特点和应用，分析了设计与制作二维光子晶体器件过程 中存在的一些关键问题与难点，并总结了该领域的研究进展和发展趋势。 关键词：光子晶体；二维光子晶体;波导；光子晶体器件;集成光学；光通信;全光网络 DOI： 10.3969/j.issn.1002 - 2279.2017.02.001 中图分类号:TN256;O431.1 文献标识码:B文章编号：1002-2279-(2017 )02-0001-07 Development of Two Dimensional Photonic Crystals and Devices Jin Weihua1,Lv Jinguang2,Wang Weibiao2,Liang Zhongzhu2,Qin Yuxin2,Liang Jingqiu2 (l.Optoelectronics Technology Invention Examination, Department, PECC, SIPO, Beijing 100083, China; 2.State Key Laboratory of Applied Optics, Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033, China) Abstract：Photonic crystal is a kind of artificial microstructure in which the materials with different dielectric constant arrange periodically in space.The two dimensional photonic crystals devices,designed and fabricated based on the photonic band gap and the photon localization,show the advantages of compact structure,high integration level and the excellent optical functionalities,and will play an important role in the future integrated photonic/optical circuit and all-optical networks.An overview of the development of two dimensional photonic crystals devices is presented.The key problems in designing and fabricating two-dimensional photonic crystals devices are discussed,and the progresses in this field are also presented. Key words：Photonic crystals;Two dimensional photonic crystals；Waveguide；Photonic crystals devices；Integrated optics；Optical communication；All-optical networks i引言 自从 1987 年 E.Yablonovich 和 S.John提出了光子晶体的概念，光子晶体就得到了国内外学者的 广泛关注和深入研究。光子晶体是一种周期性的人 工微结构，由具有不同介电常数的材料在空间按照 一定的方式周期性排列构成。光子晶体对电磁波的 调制作用和半导体晶体中周期势场对电子的调制作 用类似，当电磁波通过光子晶体时，光子晶体中有序 排列的介电结构将会使电磁波发生布拉格散射，从而使光子晶体产生能带分裂，进而出现光子带隙。当电磁波的频率正好位于光子晶体带隙区域时，电磁 波将会被晶体反射而不进入晶体。因此，光子能带之 间的光子带隙能够使人们控制光子在光子晶体中的 传输。光子带隙的产生及带隙宽度、带隙位置等性质 与光子晶体的结构、介电常数差、填充比及介质的连 通性等特征有关，产生条件较为苛刻。除了光子带隙 外，光子局域是光子晶体的另一个重要特征。如果在 光子晶体中产生介电缺陷或发生介电无序，光子晶 体中的光子就会出现光子局域。当能带区域的一个 *基金项目：国家自然科学基金(60877031) 作者简介:金伟华(1977-)，男，河北省衡水市人，博士研究生，主研方向：光电材料。收稿日期：2016-11-23
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）
二维光子晶体波导和微腔缺陷态研究
2010年第12 期 中文核心期刊 二维光子晶体波导和微腔缺陷态研究 Study two dimensional photonic crystal waveguides and defect state of micro-cavity YANG Wei-han 1,LI Wei 2,XU Yu-hua 2 (1.School of Civil and Constructive Engineering, Nanchang Institute of Technology,Nanchang 330099,China; 2.Department of science,Nanchang Institute of Technology,Nanchang 330099,China) Abstract :The paper studied the relation between two dimensional triangular lattice and square lattice photon-ic crystal band gap for TE polarization and dielectric cylinder radius,and studied distribution of two dimen-sional photonic crystal defect state.According the principle of photonic crystal waveguides,the coupling length is calculated,designed a reasonable directional coupler.Based on the coupling between waveguide and cavity,different transmission directions is selected,we can design a variety of WDM system for coupling be-tween photonic crystal waveguide and micro-cavity. Key words :photonic crystals waveguides;micro-cavity;defect state 杨维汉1，李未2，徐玉华2 （1.南昌工程学院土木与建筑工程学院，南昌330099；2.南昌工程学院理学系，南昌330099）摘要：利用二维三角晶格及正方晶格介质柱光子晶体TE 偏振的禁带与介质柱半径的变化关系，分析了 二维光子晶体缺陷态的分布。根据光子晶体波导间的耦合作用，计算其耦合长度设计合理的定向耦合 器。通过分析波导与微腔的耦合特性，选取不同的传输方向，可以设计多种基于光子晶体波导与微腔耦合的波分复用系统。关键词：光子晶体波导；微腔；缺陷态 中图分类号：TN929.11 文献标识码：A 文章编号：1002-5561（2010）12-0033-02 0引言 光子晶体是一种按一定空间周期性排列的电介质材料。在完整的光子晶体中引入线缺陷，就会形成光子晶体波导[1-2]；在光子晶体中引入点缺陷会形成光子晶体微腔[3]。束缚在光子晶体中的光波可以在波导和谐振腔中进行传输，达到选择输出光波的目的，并且，光子晶体波导和微腔是构成光子晶体集成器件的重要组成元件。因此，二维光子晶体波导和微腔缺陷态引起了人们的十分重视。 1光子晶体波导 光子晶体波导是在完整光子晶体去掉一排或者几排介质柱构成的，图1是光子晶体波导，该波导为 一个成60°角的弯曲波导。背景为空气，介质柱折射率 n =3.4，介质柱半径r =0.2a ，a 为晶格常数。以图中方框 内的介质柱为超元胞，运用平面波展开法进行计算，得到光子晶体波导TE 模色散曲线，如图2所示。从图中可以看到，阴影部分为允许带，位于该带中的频率的模式是泄漏模，带的上部分是导带，下部分为价带。光子带隙分布在归一化频率a /λ从0.261到0.450之间，其中λ为真空中的波长。由归一化频率 0.340延伸到0.446之 收稿日期：2010-07-28。 基金项目：江西省自然科学基金(2008GZW0007)资助；南昌工程学院青年基金（2010KJ020）资助。 作者简介：杨维汉（1976-），男，讲师，主要从事波导耦合方向的研究 。 图1光子晶体弯曲波导 图2光子晶体波导色散曲线 輧 輱訛
光波导器件研究的新进展剖析
光波导技术课程论文题目:光波导器件研究的最新进展 院系武汉光电国家实验室专业班级硕士 01 姓名张加凯 学号 M201572516 2015年 10月 光波导器件研究的新进展 摘要 :如今, 在这个计算机技术以及通信技术被迅猛发展的时代, 光波导材料与器件作为光通信系统中的必不可少的组成部分, 自然得到了人们越来越多的重视和发展, 并且已经广泛的应用与现今的各种光通信系统中了。其中, 光开关作为光网络和数字光信息处理的核心器件, 人们对其的研究可以追溯到上个世纪六十年代。由于新的技术不断的涌现, 使得光开关的集成化和规模化得到了大大的发展,本文将主要介绍光开关的发展现状以及其研究的最新进展。 关键字 :光网络,机械光开关,电光开关,热光开关,全光开关 1. 光开关概述 光开关是一种具有一个或多个可选的传输端口并且可以对光传输线路或集成光路中的光信号进行相互转换或逻辑操作的光学器件。 1.1光开关的典型应用 光开关在光纤通信系统中的应用十分广泛。它不仅可以用来保护,测试和监控光网络的实时通信情况。还能够组成个复杂的光器件, 例如光交叉连接器 (OXC 和光分插复用器 (OADM 来完成选择不同波长的选择以及复用功能。下面将详细的介绍:
(1光开关的保护和检测功能 当光通信网络出现故障的时候, 光开关能将报错地点的光路切换到备用线路上,从而实现整个光网络的保护功能。同理,当我用来检测光网络时,可以将检测节点接入检测光路实现检测的目的。 (2光交叉连接(OXC 光开关是组成光交叉连接(OXC 的基本单元。而由光开关阵列构成的 OXC 具有带宽管理功能,同时也能对光网络起到保护和恢复的作用。 (3光分插复用器(OADM 同样,光分插复用器(OADM 也是又光开关阵列所构成,它可以在光网络的某一节点上随意复用或下载任意波长的光信号。这种强大的功能使其在光通信的复用系统中的应用十分的广泛。 1.2光开关的分类及其现状 如今的主要的光开关根据其工作原理可以分为机械光型开关, 声光型光开关, 热光型光开关,电光型光开关,全光开关。 1.2.1机械型光开关 传统的机械光开关仍是目前应用的最为广泛的光开关,它通过机械的方法将光纤移动来产生开和关的功能, 这种光开关损耗较低, 串扰较少, 而且还不受偏振和波长的影响, 但是由于这种机械的控制方法限制了光开关的体积大小, 使得其在器件集成方面受到很大的限制。而后来发展的微机电系统光开关 (MEMS 虽然在尺寸方面优化了许多, 但是长期使用后机械部分的稳定性使其在应用方面得到了限制。 1.2.2声光型光开关和热光型光开关
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