集成光波导
(集成光电子学导论)第六章常见光波导材料与结构
1 cm = 10 000 微米
1、空气净化
From Intel Museum
三道防线: ✓环境净化（clean room） ✓材料清洗（wafer cleaning） ✓吸杂（gettering）
光电所
• 投资4000万元的光电子学研究所实验大楼坐落在深圳大学文山湖畔。这是 一座设施先进、功能完善、配套齐全、专业化水准高的现代化实验大楼，总 面积8200平方米，其中有1200平方米的百级和万级净化实验室，有电子级超 纯水制备系统、各种特殊气体的供送系统以及相应的安全保障和环保设施等。 投资6000万元购置的先进科研仪器设备，构建了显微分析、光谱分析、超快 诊断技术、光电子材料、生物光子学、等离子体显示、应用光学、电子学等 10多个测试实验室和真空光电子器件、半导体光电子材料与器件、平板显示 器件、有机电致发光材料、纳米光电子材料等10多个工艺实验室。主要大型 仪器设备有：金属有机化合物气相沉积（MOCVD）系统、微波等离子体增 强化学气相沉积（MPECVD）系统、等离子体增强化学气相沉积（PECVD） 系统、磁控溅射系统、反应离子刻蚀机、光刻机、高精度丝网印刷机、大型 高精度点胶机、高精度喷砂机、多功能镀膜机、扫描探针显微镜、扫描电子 显微镜、台阶轮廓测试仪、三维视频显微镜、真空紫外单色仪、紫外/可见/近 红外光谱仪、飞秒激光器、皮秒激光器、荧光光谱测试仪、激光拉曼谱仪、 高分辨X射线衍射仪、变磁场霍尔测试仪、多光子激发荧光显微成像系统、高 速示波器、逻辑分析仪和数字电路开发系统等，以及光学设计分析、多物理 场分析等大型软件。这些硬件条件，为建设一流的光电子学研究所奠定了坚 实的基础。
半导体激光器，探测器，放大器， 电光调制器
目前最好的电光调制器，声光调制 器
一种基于SOI的集成光波导耦合系统的设计与制备
当光纤 的归一化 频率 Ｖ＜ ．０ ２ ４５时 ， 纤 以单模 光
模式传输 。光 纤 的半 径逐 渐 减 小 时 ， 纤 轴上 光 强 光
逐渐增 大 ， 能量越来 越集 中 ； 光 当半 径减小 到某一 值
项 目来 源 ： 国家 ９ ３ ｔ￣前 期 研 究 专 项 （０ ９ Ｂ ２ ２０ ； 家 自然 科 学 基 金 项 目（ ０７ ２ ６ ６ ７７ １ ，０ ７ ０９ ； 点 实 验 ７ －ｑ ｉ： ２０ Ｃ ３６ ０ ） 国 ５９ ５６ ，０ ００ ４ ６ ７ ８２ ） 重 室 基 金 项 目 （１０ １０ ００ ０ ） 总 装 创新 项 目（ １０ ０ ） 山 西省 自然 科 学 基 金 项 目 （０ ０ １０ ３ ； 西 省 研 究 生 ９ ４ ｃ２４ ４ ９９ ； ７ ３９ ７ ； ２ １０ １０ ） 山
３ ２
Ｏ
Ｏ
Ｏ
Ｏ
０
锥形 光纤 中的光传输将 由导 波场传输 变为倏逝 场传 输 。使 用 Ｂ Ａ Ｒ Ｐ软件 仿 真 锥形 光 纤 和平 面环 Ｅ ＭＰ Ｏ
形微 腔的耦 合 系统 。 图 １中 Ａ 曲线 表示 输 入 光 纤 的光的场强 ， Ｂ曲线 表示 输 出的光 场 强 。我 们可 以 看 出 ， 以倏 逝波 的形式从 光纤不断 的耦合 进微腔 。 光 其中， 耦合 间距 和微 腔 尺 寸也 是 影 响耦合 效 率 的重 要参 数 ， 我们 通过实 验 测得 其 与耦 合 效率 的关 系如
Ｅ Ａ Ｃ：２ ０ Ｅ Ｃ ７３
ｄ ｉ１ ．９ ９ ｊ ｉ ｎ １ ０ — ６ ９ ２ １ ． ６ ０ ２ ｏ ：０ ３ ６ ／．ｓ ． ０ ４ １ ９ ． ０ １ ０ ． １ ｓ Nhomakorabea一
集成光波导
Pin/2
23
Multiport splitters can be constructed by cascading 2-port couplers as indicated schematically below:
1 x 8 Coupler
24
4.6.2 有源器件
▪ 有源器件按其功能可分为两类：
21
For the ideal coupler, the coupling to port 4 (the isolated port) is zero. Thus,
10 log P4/P1 = 10 log 0 = -
22
An integrated optic power splitter is constructed with the waveguide pattern indicated below:
图4.5 对称平板波导的
模
式
图
1
4.5.1 波导色散
▪ 随波长的变化，有效折射率neff与折射率n一样会导致脉冲展
宽。在通常情况下，材料是色散的，因此波导色散与材料色 散会同时存在。
图4.5 对称平板波 导的模式图 (n1=3.6,n2=3.5 5)
2
4.5.1 波导色散
▪ 由波导色散所引起的脉冲展宽幅度与材料色散所导致的脉冲
图4.24 电光开关
26
As in the passive coupler, the power distribution is given by:
P2/P1 = cos2 (pL/2Lc) P3/P1 = sin2 (pL/2Lc) L is the interaction length and Lc is the coupling length.
集成光波导制造技术
N1>N2
n1<n2
n2
4.3 降低载流子浓度形成波导
定量表达式如下：
Ne n = n0 − * 2 2nε 0 m ω
n : N : 折射率 单位体积内自由载流子的数目
2
（4.4）
所以有：
(N3 − N2 )e2 ∆n = n2 − n3 = 2n2ε0m*ω2
（4.5）
4.3 降低载流子浓度形成波导
目录
4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7
薄膜淀积 替位式掺杂 降低载流子浓度形成波导 外延生长 电光波导 氧化 沟道波导的制造方法
4.7 沟道波导的制造方法
利用刻蚀的方法制造脊波导 波导层 衬底 光刻胶 步骤1：利用前面介绍的工 艺方法制造出平板波导。
步骤2：在波导层上均匀涂 上光刻胶，掩模，UV曝光。
步骤3:显影。
步骤4：对未受保护 区域进 行刻蚀，然后去除表面光刻 胶。
4.7 沟道波导的制造方法
刻蚀：把材料未掩模部分选择性地去掉。 湿法刻蚀---用化学溶液腐蚀无胶保护的膜，生成溶于水的副产物。 优点∶简单，成本低，选择比高。 缺点∶各向异性差，气泡阻碍，小线条速率慢，有底膜区难腐蚀。 方式∶浸没式、喷淋式。 干法刻蚀---用等离子体等方法选择刻蚀。 优点∶各向异性腐蚀,横向腐蚀小，适合刻细线条。 缺点∶设备复杂、成本高，表面有一定的损伤。 方式∶高压等离子体、反应离子刻蚀（RIE）、高密度等离子体（HDP）、 离子束刻蚀（IBE）
4.4 外延生长
下图为利用气相外延（VPE）生长的Ga(1-x)AlxAs多层波导
n2 n3
Ga(1-x)AlxAs Ga(1-y)AlyAs
guide layer confining layer
《集成光波导》课件
在光通信、光传感、医学检测等领域有重要的应用价值。
3 展望集成光波导的未来发展趋势
将继续向超高速率、超长距离、高可靠性、低能耗等方向迈进。
4
通过激光处理获得所需的光波导纹理。
分立器法
将芯片分离出来再进行加工组装。
定向凝固法
将溶液导入反应腔体中，通过凝固实现 制备。
集成光波导的应用
光通信
将各种功能的光模块一同集 成，可大大降低光通信系统 的成本。
光传感
可用于温度、压力、光强等 物理量的测量传感。
生物医学领域
可用于医学检测、实验室研 究等方面。
发展现状与前景
集成光波导的发展历程
自1980年代初期，集成光波导的 性能与可靠性都得到了突破性发 展。
集成光波导的未来发展方向 集成光波导的应用前景
超高速率、超长距离、高可靠性、 低能耗。
在医学检测、光学成像、传感器 等领域具有广泛的应用前景。
总结
1 集成光波导的优缺点
高集成度、小型化、高性能、低成本，但也有加工难度大和生产周期长等缺点。
集成光波导
本次PPT将详细讲解集成光波导的定义、基础知识、制备方法、应用前景及未 来发展趋势，希望能为您了解光波导技术提供帮助。
概述
1 光波导的定义
光波导是指导波不断变化而传输的一种光学器件。
2 集成光波导的概念
将微波电路、光学波导、探测器等元件集成在一起，构成一个小型化光通信接口的技术。
3 集成光波导的优势
具有高集成度、小型化、高性能、低成本等优势。
基础知识
光波导的类型
光波导的基本结构
有单模光纤和多模光纤两种类型。
是由高折射率材料的核心层和低 折射率材料的包层构成。
集成光波导
集成光波导型(AWG )以光集成技术为基础的平面波导型波分复用器件，具有一切平面波导的优点，如几何尺寸小、重复性好（可批量生产）、可在掩膜过程中实现复杂的支路结构、与光纤容易对准等。
目前集成波导型的波分复用器件有多种实现方案，其中以龙骨型的平面波导应用最多。
它由二个星形耦合器与M 个非耦合波导构成，不等长的耦合波导形成光栅而具分光作用，两端的星形耦合器由平面设置的二个共焦阵列波导组成。
如图3.2.2所示。
（1）．AWG 的优点 ①．分辨率较高。
②．高隔离度 ③．易大批量生产。
因为具有高分辨率和高隔离度，所以复用通道的数量达32个以上；再加上便于大批量生产，所以AWG 型的波分复用器件在16通道以上的WDM 系统中得到了非常广泛的应用。
(2)．AWG 的缺点插入衰耗较大，一般为6~11dB 。
带内的响应度不够平坦。
4．光栅型光栅型波分复用器件属于角色散器件。
当光入射到光栅上，由于光栅的角色散作用可以使不同波长的光信号以不同的角度出射，[url=/]魔兽sf[/url]然后可再用自聚焦透镜把光信号会聚到不同的光纤中输出，如图3.2.3所示。
（1）．光栅型波分复用器件优点 ①．高分辨率3.2.2图：AWG 波分复用器件其通道间隔可以达到30GH Z以下。
②．高隔离度其相邻复用光通道的隔离度可大于40 dB。
③．插入衰耗低大批量生产可达到3~6dB，且不随复用通道数量的增加而增加。
④．具有双向功能，即用一个光栅可以实现分波与合波功能。
因此它可以用于单纤双向的WDM系统之中。
正因为具有很高的分辨率和隔离度，所以它允许复用通道的数量达132个之多，故光栅型的波分复用器件在16通道以上的WDM系统中得到了应用。
（2）．光栅型波分复用器件的缺点①．温度特性欠佳其温度系数约为14pm /°C。
因此要想保证它的中心工作波长稳定，在实际应用中必须加温度控制措施。
②．制造工艺复杂，价格较贵。
5．光纤布喇格光栅型（FBG）利用紫外线光干涉的方法可以在光纤芯中形成所谓布喇格光栅。
(集成光电子学导论)第六章常见光波导材料与结构
芯层/包层材 料
Ge:SiO2 /SiO2 Si/SiO2
芯层/包层折 射率差 0-0.5%
50-70%
损耗dB/cm @1550nm 0.05
0.1
3.2
inP、GaAs/ ~100%
3
空气
2.2
Ag(Ti):LiNbO 0.5%
0.5
3/ LiNbO3
1.3-1.7
都是聚合物， 0-35%
0.1
不同材料矩形单模波导的宽度
SiO2：n=1.44 Ge： SiO2：n=1.45
两种波导的 优缺点？
SiO2：n=1.44
5~6 μm
220nm
30~40μm
Si： n=3.4
500nm
做出的器件尺寸大，但与光 纤耦合损耗很小
做出的器件尺寸很小，但与 光纤耦合损耗大
如希望对光纤耦合损耗小：不同材 料的光波导结构
靠配比改变
折射率差
波导折射率与模式
n2 θc
n1
n2
sin c
n2 n1
同样厚度 的硅波导 和二氧化 硅波导哪 个能有更 多模式？
为什么通常希望 波导厚度与模使式用单模波导？
Helmholtz equation:
[ 2 xk0 2n22]U (x)0
x nclad ncore nclad
n nclad ncore
平面光波导的类型
1-d 光限制
cladding core
nlow nhigh
cladding
nlow
平板波导
氧化硅、聚合物
2-d 光限制 硅、三五族
core
nlow
nhigh
cladding
生长硅基siox集成光波导材料_概述说明以及解释
生长硅基siox集成光波导材料概述说明以及解释1. 引言1.1 概述生长硅基SiOx集成光波导材料是一种在光通信领域应用广泛的材料。
它具有优秀的光学性能和可靠的物理特性，因此被广泛用于集成光学器件和集成光电子设备中。
本文将对生长硅基SiOx集成光波导材料进行全面的概述，包括其生长方法、材料特性以及在光通信领域的应用。
1.2 文章结构本文主要分为五个部分。
首先，在引言部分，我们将概述生长硅基SiOx集成光波导材料的研究背景和意义。
接着，在第二部分，我们将详细介绍生长硅基SiOx 集成光波导材料的方法以及其相关特性。
然后，在第三部分，我们将对生长硅基SiOx材料的发展历程、在光通信领域的应用以及其未来前景进行概述说明。
接下来，在第四部分，我们将解释在生长硅基SiOx集成光波导过程中所面临的挑战，并提出相应的解决方案和技术创新。
最后，在第五部分，我们将总结本文的主要观点，并对未来发展提出展望和建议。
1.3 目的本文的目的是全面介绍生长硅基SiOx集成光波导材料以及其在光通信领域中的应用。
通过对该材料的概述说明和解释挑战与解决方案，读者可以更好地理解该材料的特性和优势，并了解到在光通信领域中进一步推动其应用所需采取的策略。
这将有助于促进该材料在光学器件领域的发展，并为未来开发更高性能、更可靠的集成光电子设备奠定基础。
2. 生长硅基siox集成光波导材料2.1 生长方法：生长硅基siox集成光波导材料通常采用化学气相沉积(CVD)方法。
CVD是一种常用的生长方法，通过控制气相中气体的流量和反应温度，使其在硅基衬底上形成薄膜。
在CVD过程中，通常使用有机金属前驱物（如TES、TEOS等）作为硅源。
这些前驱物被分解后，在衬底表面沉积出富含硅的薄膜。
同时，通过加入适当的掺杂剂（如Be、P等）可以实现杂质掺杂，以调节siox材料的性能。
2.2 硅基siox材料特性：生长硅基siox集成光波导材料具有多种特性。
首先，它具有极高的折射率，使其能够有效地限制光信号在波导内部传播，并提供较高的耦合效率。
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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 =。
等效折射率是在中心薄膜材料与其外层材料的折射率之间取值。
所有能传播的波对应的光线角度位于c θ与ο90之间，对应的等效折射率则在下式确定的范围内取值，即 n1≦eff n ≦1n 。
对于确定的波长，通过改变光线的入射方向可以改变路径长度，从而使总的相移发生变化。
我们称以这些特定角度传输的波为波导中的模式。
这些角度是波导中允许的方向。
在处理平面边界面上的反射问题时，一般将其分解成两种可能的偏振形态：电场强度矢量垂直于入射平面和平行于入射平面。
Yz 平面是入射平面。
电场指向x 轴方向对应于垂直偏振，或称之为s 偏振态。
这种偏振状态的波称为模电波(TE, transverse electric)， 因为其电场矢量完全在xy 平面内，垂直于传播方向（Z 轴方向）。
当处于平行偏振状态，或称之为p 偏振状态时，电场不完全是横向的，而是有沿z 轴方向的分量。
然而平行偏振时，磁场是指向x 轴方向的，也就是完全横向的。
因此在平板波导中，p 偏振状态的波也称为横磁波（TM, transverse magnetic)
非对称平板波导的模式场分布与对称波导是相似的。
模阶数m 仍然
代表横平面内场函数的零点个次数。
波导结构的非对称性导致场在两个边界面上具有不同的幅度，在上下层中的衰减速度也不相同。
直接边耦合（或称之为平阶）结构，是一种简答而高效的结构。
一个半导体激光器或发光二极管在中心薄膜的边缘与波导直接相连。
要使光从光源向中心薄膜尽可能高效传输，要求光源的发光面积不大于中心薄膜端面的面积。
否则，光源发出的部分光会入射到非导光层，这部分光能量显然就损耗掉了。
当光源辐射的横模式与波导允许传播的模式完全相同时，才能得到较高的耦合效率。
即使中心薄膜和衬底材料是非色散的，对于固定的中心薄膜厚度，某
个特定模式的有效折射率也会随波长而变化，即波导色散。
随波长的变化，有效折射率eff n 与折射率n 一样会导致脉冲展宽。
在通常情况
下，材料是色散的，因此波导色散与材料色散会同时存在。
由波导色散所引起的脉冲展宽幅度与材料色散所导致的脉冲展宽遵循同样的方程，不同的是要用有效折射率替代材料折射率。
对于波导色散有
λλλ
τ∆-=∆-=∆g eff M n c L '')/(。
在这个方程中，λ∆是光源的线宽，22/''λd n d n eff eff =，c n M eff g /''λ=。
因为材料色散M 可能为负值（例如在石英玻璃中，当工作波长超过1300nm 时），由色散引起的总脉冲展宽实际上有可能会因为波导色散的存在反而减小。
当有多个模式在同一平板波导中传播时，相对于波导轴的传输速度互不相同。
一个入射光束的能量在传输过程中会被分配到若干个模式上，其传播速度各不相同。
因此，输入波形在传输过程中会产生畸变。
各个模式到达输出端的时间不同，从而使得波形被展宽。
这种现象称为多模失真或模式失真，也称为多模色散。