集成光学2015-14
集成光学器件及应用
集成光学器件及应用
佚名
【期刊名称】《中国光学》
【年(卷),期】1994(0)6
【摘要】TN256 94064000GaAs/GaAlAs双异质结光波导开关内带隙的注入载流子感生变化=Injected carrier-inducedband-gap change in GaAs/GaAlAs doubleheterostructure waveguide optical switch[刊,中]/王德煌,王威礼(北京大学物理系),庄婉如,林雯华(中科院半导体所)//半导体学报.-1994,15(7).
【总页数】1页(P24-24)
【关键词】光波导开关;双异质结;半导体;集成光学器件;载流子注入;学报;带隙;北京大学;集成光波导器件;感生
【正文语种】中文
【中图分类】TN256
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4.全硅集成光学──理论与工艺（Ⅵ）（续五）第六讲全硅集成光学导波无源器件 [J], 赵策洲
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2012级微电子工艺学试卷(A卷)参考答案
华中科技大学光学与电子信息学院考试试卷(A卷)2014～2015学年度第一学期课程名称：微电子工艺学考试年级：2012级考试时间：2015 年1 月28 日考试方式：开卷学生姓名学号专业班级一、判断下列说法的正误，正确的在后面括号中划“√”，错误的在后面括号中划“×”(本大题共10小题，每小题2分，共20分)1、随着器件特征尺寸不断缩小、电路性能不断完善、集成度不断提高，互连线所占面积已成为决定芯片面积的主要因素，互连线导致的延迟已可与器件门延迟相比较，单层金属互连逐渐被多层金属互连取代。
(√)2、采用区熔法进行硅单晶生长时，利用分凝现象将物料局部熔化形成狭窄的熔区，并令其沿锭长从一端缓慢地移动到另一端，重复多次使杂质被集中在尾部或头部，使中部材料被提纯。
区熔法一次提纯的效果比直拉法好，可以制备更高纯度的单晶。
(×)3、缺陷的存在对微电子器件利弊各半：在有源区不希望有二维和三维缺陷，而在非有源区的缺陷能够吸引杂质聚集，使邻近有源区内杂质减少，是有好处的。
(√)4、光刻胶的灵敏度是指完成曝光所需最小曝光剂量(mJ/cm2)，由曝光效率决定(通常负胶比正胶有更高曝光效率) 。
灵敏度大的光刻胶曝光时间较短，但曝光效果较差。
(×)5、无论对于PMOS还是NMOS器件，要得到良好受控的阈值电压，需要控制氧化层厚度、沟道掺杂浓度、金属半导体功函数以及氧化层电荷。
(√)6、半导体掺杂中掺入的杂质必须是电活性的，能提供所需的载流子，使许多微结构和器件得以实现。
掺杂的最高极限由杂质固溶度决定，最低极限由硅晶格生长的杂质决定。
(√)7、离子注入过程是一个平衡过程，带有一定能量的入射离子在靶材内同靶原子核及其核外电子碰撞，逐步损失能量，最后停下来。
(×)8、溅射仅是离子对物体表面轰击时可能发生的四种物理过程之一，其中每种物理过程发生的几率取决于入射离子的剂量。
(√)9、等离子体刻蚀的优点是刻蚀速率较高、刻蚀选择性较好和刻蚀损伤较低，缺点是存在各向异性倾向。
集成光学芯片技术的发展与应用
集成光学芯片技术的发展与应用随着信息技术的发展和数据通信的日益普及，人们对更高速和更多容量的通信方式和数据存储方式的需求也越来越大。
为此，集成光学芯片技术应运而生，成为满足这些需求的重要途径之一。
本文将介绍集成光学芯片技术的基础概念、发展历程以及相关应用。
一、集成光学芯片技术的基础概念集成光学芯片技术，顾名思义，指将光学芯片集成到一个芯片上的技术，从而实现多个功能的集成化。
这些光学功能包括光源、调制器、耦合器、分束器、滤波器、放大器等。
通过集成，可以实现高速数据传输、节约空间、降低成本等效果。
集成光学芯片是一种微观器件，其结构复杂、制造难度大，需要应用多种高科技生产工艺，包括微影、离子注入、薄膜沉积、光刻等。
此外，由于集成光学芯片直接使用光学信号进行通信，因此对环境的要求也比较高，工作需要在光纤、光源、FPCB等器件的支持下完成。
二、集成光学芯片技术的发展历程集成光学芯片技术的历史可以追溯到上世纪70年代。
1970年美国Bell实验室的Miller首先提出将半导体材料应用于光学器件中的研究。
随着半导体技术的飞速发展，越来越多的光学器件采用半导体材料代替传统的玻璃等材料，这为集成光学芯片技术的发展奠定了基础。
20世纪80年代初，美国AT&T贝尔实验室的Alferness博士和日本NEC公司的Suzuki博士分别研制出了惠普波导和电离DBR 激光器。
这两个发明标志着集成光学芯片技术开始进入实用化阶段。
此外，20世纪90年代以来，欧洲、亚洲等地的许多研究机构也分别推出了各自的集成光学芯片方案。
21世纪，随着科技和资本的全球化，集成光学芯片技术开始进入高速发展期。
在美国，Cisco、Juniper、Alcatel-Lucent等公司相继推出了各自的100G/400G产品；在中国，华为、中兴通讯、烽火通信等国内公司也相继推出了相关产品。
这些产品的推出，不仅使得集成光学芯片技术在通信领域得以广泛应用，同时也进一步促进了集成光学芯片技术的发展。
集成光学ppt课件 第二章第2节 平板波导的射线光学理论
而12 0
TE波的色散方程变为
1
w k0 n 1 2n2 2marctan n n 1 2 2 2 n n3 2 2 2 2,m 0,1 ,2
故某一模式的截止波长为
w
cTE2
1 n12n22
marctann n122 2 n n3 22 21 2
T E 模
n 1 2 n e 2 ff 1 2k 0 w m a rc ta n n n 1 2 2 2 n n 1 e 2 2 ff n n e 2 f2 f 2 1 2 a rc ta n n n 1 3 2 2 n n 1 e 2 2 ff n n e 2 f3 2 f 1 2
§2.2平板波导的射线光学理论
• 2.2.1光波导的分类 • (a)平板波导(slab waveguide) • (b)条形波导(strip waveguide) • (c)圆柱波导(cylindrical waveguide)
平板波导
n3cladding
n1 core n2substract
c 1 3 i c 1 2 时 ， 形 成 衬 底 辐 射 波 ；
i c 1 2 且 c 1 3 时 ， 形 成 传 导 波 或 导 行 波 。
2.2.2 用射线方法研究平板光波导的导模
h n1 k0
1. 波矢的横向分量
把波矢分解为平行于波导的分量（相位常数为β）和垂直 于波导的分量（相位常数为h），三者关系为：
T M 模
如何理解模的概念？
(1)模式是光波导中一个常用的概念。 (2)从数学方面理解，模式是满足亥姆霍兹方程其在波导中心
TSW2500型短波发射机控制系统简介
Science &Technology Vision科技视界TSW2500型短波发射机控制系统简介李文君(国家新闻出版广电总局594台,陕西咸阳712000)【摘要】瑞士THALES 公司生产的TSW2500型500kW 短波发射机是目前世界上最先进的短波发射机。
发射机控制和调谐系统全部采用计算机和数字信号处理技术实现，本文主要分析了其控制系统硬件组成与功能定义。
【关键词】TSW2500；短波；发射机；控制系统1TSW2500型短波发射机简介瑞士THALES 公司生产的TSW2500型500kW 短波发射机是目前世界上最先进的短波发射机。
该发射机采用高可靠性的TSM 调制器，音频信号采用数字信号处理方式，运行稳定、指标好，通过简单的改造就可以进行数字AM 广播（DRM ）；发射机控制和调谐系统全部采用计算机和数字信号处理技术实现，操作方便，自动化程度高，在整个短波广播频段内都能实现自动调谐，有多种可选工作模式（AM 、DCC 、DRM ），具有计算机辅助（故障）诊断功能，并能方便的实现远程监控；射频电路设计简洁、可靠，整机采用两只电子管，输出网络采用3π网络结构，损耗低、效率高、故障率低。
2TSW2500型500kW 短波发射机的主要特点1）在整个短波广播频段内均可稳定地输出额定功率；2）高效率、低损耗；3）采用高可靠性的TSM 调制器（THALES 公司生产的PSM 脉阶调制器，以下简称为TSM ）；4）失真度低；5）发射机在整个短波广播频段内都能实现自动调谐；6）使用彩色显示器和专用键盘，操作简单、方便；7）具有计算机辅助（故障）诊断功能；8）有多种工作模式（AM 、DCC 、SSB ）可供选择；9）调制器采用数字信号处理方式，维护量小；10）射频电路设计简洁；11）调制器双功率模块有风冷和水冷两种方式可供选择；12）发射机占地面积小；13）通过计算机接口，可方便地实现远程控制；14）可存贮300多个预置频率。
集成光学器件
一、光纤陀螺用集成光学芯片（Y波导调制器）1.1 芯片结构：1.2 工作原理：光纤陀螺用Y波导集成光学器件在光纤陀螺系统中作信号处理用，经光源发出的光由器件的Y分支波导分成两束光，分别沿顺时针和逆时针方向通过光纤线圈后，又由Y分支波导合束为一束光，最后达光电探测器。
当线圈静止不动时，两束光到达Y 分支合束器时的光相位相等，当线圈转动时，两束光之间将产生一个与线圈转速成比例的相位差，即塞格纳克效应。
在推挽电极上上施加调制电压，利用衬底材料的电光效应改变光波导的折射率，从而改变两束光在光波导中传播的光程，引入一个相位差，补偿效应，于是通过外加调制信号可以检测相位差，从而检测光纤线圈的转速。
1.3 应用领域：用于飞机、轮船、导弹、汽车等运动物体姿态控制的光纤陀螺系统中；电流传感系统中，利用法拉第效应测量通过光纤环路的电流大小。
1.5 产品实物图与外形尺寸：1.6 使用方法与注意事项a 该器件工作于单偏振状态，入光的偏振态必须与器件保持一致。
b为了防止器件的电损伤，调制器的电极电压应低于30V。
c 注意事项d 光纤施力过大易断裂,不宜拉扯,扭折,弯曲半径不得小于30mm。
e 管壳与光纤间不允许施加过大应力。
使用时,应同时拿起管壳与光纤,切勿使管壳与光纤交接处发生弯曲,以防光纤断裂影响器件性能。
f 存储器件环境湿度低于50%,且不含有对器件有害的材料。
g 应避免使器件承受强烈的热冲击,避免使器件受热不均匀。
h 光纤连接回路的连接处应避免施加应力。
1.7 发展方向：进一步降低损耗（≤4dB（典型值3.5dB），拓宽工作温度到-65︒C~+85︒C，提高批量化生产能力达5000只／年。
提高集成度：在同一芯片上整理多个Y波导调制器。
1.8 特点：低损耗、低电压、单偏振、宽工作温度范围、高稳定性。
二、光通信用集成光学强度调制器2.1 芯片结构：2.2工作原理：集成光学强度调制器在LiNbO3衬底上利用质子交换与退火工艺制备“M-Z”干涉型光波导，然后在“M-Z”光波导的分支两臂上制备行波调电调极，采用稳定可靠的耦合技术将光波导和光纤耦合而成。
一种基于集成光学芯片的微小型光纤陀螺
第28卷第5期 中国惯性技术学报 V ol.28 No.5 2020年10月 Journal of Chinese Inertial Technology Oct. 2020 收稿日期：2020-07-28；修回日期：2020-10-15基金项目：国家重点研发计划（2017YFC0601702）；航天科工集团重大自主创新课题（C041gjdx ）作者简介：尚克军（1977—），男，博士研究生，从事惯性导航、视觉导航、数据融合技术研究。
E-mail ：***************联 系 人：雷明（1983—），男，高级工程师，从事光纤陀螺技术研究。
E-mail ：152****************文章编号：1005-6734(2020)05-0650-04 doi.10.13695/ki.12-1222/o3.2020.05.013一种基于集成光学芯片的微小型光纤陀螺尚克军1,2，雷 明2，向 强2，杨 怿2，冯 喆2，张丽哲2（1. 北京理工大学自动化学院，北京100081；2. 北京自动化控制设备研究所，北京100074） 摘要：针对海陆空天领域对微小型光纤导航元件的需求，提出了一种基于集成光学芯片的微小型光纤陀螺。
首先，给出了兼具光源、探测器、耦合器的集成光学芯片设计方案，根据光子噪声计算出陀螺的精度极限；随后，基于集成光学芯片、微型化环圈和小型化检测电路，搭建成功微小型光纤陀螺样机，陀螺整机尺寸仅为35 mm×35 mm×35 mm ；最后，对陀螺样机进行了性能测试，陀螺测试零偏不稳定性达到了0.072 ︒/h 。
虽然与基于分立光学器件的传统光纤陀螺相比，精度上还存在一定差距，但是通过集成光学芯片性能的进一步优化，未来有望满足微小型光纤陀螺的应用需求。
关 键 词：微小型光纤陀螺；集成光学芯片；超细径光纤；零偏不稳定性中图分类号：V241.5 文献标志码：AAn integrated optical chip based miniature fiber optic gyroscopeSHANG Kejun 1,2, LEI Ming 2, XIANG Qiang 2, YANG Yi 2, FENG Zhe 2, ZHANG Lizhe 2（1. School of Automation, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China; 2. Beijing Institute of AutomaticControl and Equipment , Beijing 100074, China)Abstract: In order to meet the demand of micro fiber elements in the field of sea, land, air and sky, an miniature fiber optical gyroscope (M-FOG) based on integrated optical chip is proposed. Firstly, an integrated optical chip with a light source, a photo-diode and a 3-dB coupler is designed, and the precision limit of M-FOG is calculated. Secondly, based on the integrated optical chip, miniature fiber coil and detection circuit, M-FOG prototype is built successfully with the size of the 35 mm ×35 mm ×35 mm. Finally, the performance of the M-FOG is tested and the bias instability is 0.072︒/h. Although there is still a certain gap in precision compared with the traditional FOG based on discrete optical components, further optimization of the performance of integrated optical chip is expected to satisfy the requirement of miniature FOG in the future.Key words: miniature fiber optic gyro; integrated optical chip; ultra-fine fiber; bias instability光纤陀螺（Fiber Optical Gyroscope, FOG ）经过40余年的发展，其精度范围覆盖0.0001 ︒/h~10 ︒/h [1-3]，已广泛应用于海、陆、空、天各领域。
光波导理论
n2 N1
n2
a
a<
l
2 N12 n22
（8）
则此时也只能传输基侧模。
22
3、纵模控制： 在基横模条件满足下，由公式（6）
mnp
m
m L1
2
n L2
2
p L3
2
可知道纵向模式决定了光谱分布：
fp
pc 2neff L
模式间隔：
f c 2neff L
p=1,2,3…… （9）
17
（一）激光器选模理论
x
2E k2E 0
用分离变量法，令
L1
E(x, y, z) X (x)Y ( y)Z (z)
L2
将亥姆霍兹方程 分解为三个方程
y
d2 dx2
X
k
2 x
X
0
d2 dy 2
Y
k y2Y
0
d2 dz 2
Z
kz2Z
0
kx2 ky2 kz2 2m k2 （2）
L3
（1）
23
一般介质中的增益-频率特性是呈抛物线型。结 合基横模控制条件，只有增益系数大于损耗的模式 才能振荡；再结合纵模控制条件，有几个分立的纵 模可以被选中。
, ky
p
L3
(4)
m, n, p 0,1, 2……
把（4）代入 kx2 ky2 kz2 2m k2 得谐振波
频率为：
mnp
m
m L1
2
n L2
2
p L3
2
（5）
每一组（m, n, p）值，有一对独立偏振波模。
20
通常要求激光器工作于基横模单纵模条件下：
1、垂直横模的控制： 把源区和包层看成对称三层平面波导结构，按驻 波形成条件，以及横模m=1被截止的条件得：
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Ac J0 (m) cos ct c Ac Jn (m) cos c nm t c n1
=c k f Am cos mt
调频波的总相角： t t dt c =ct m f sinmt c
mf
k f Am
m
max m
：调频系数
k f ：比例系数
因此有 Ecm t Ac cos ct m f sinmt c
光波调制的基本概念
8
调相波的电场： Ecm t Ac cos ct cm t
Ecm t
Ac cos ct c
ma 2
Ac
cos c
m t c
ma 2
Ac cos c
m t c
• 调幅波的频谱由三个频率成分组成，其中等号右边第 一项为载频分量，第二、三项是因调制而产生的新分 量，称为边频分量。
调幅波的频谱分析
6
a(t) Am cosmt
e(t) Ac (1 ma cosmt) cos(ct c )
光波调制的基本概念
9
• 考虑三角函数和差化积公式
cos cos cos sin sin
• 角度调制波的表达式可以写为
Ecm t Ac cos ct c cos m sin mt sin ct c sin m sin mt
• 考虑贝塞尔函数展开式
cos m sin mt J0 m 2 J2n(m)cos(2nmt) n1
sin m sin mt 2 J2n1(m)sin(2n 1)mt n1
光波调制的基本概念
10
• 角度调制波的表达式可以写为
Ecm t Ac J0 m cos ct c
2 J2n m cos 2nmt cos ct c n1
2
n1
J
2
n1mΒιβλιοθήκη sin2n1
m
t
sin
• 在单频正弦波调制时，角度调制波的频谱由载频分量 以及对称分布的无穷多对边频分量组成，各边频分量 的大小由调制系数（也称为调制深度）的贝塞尔函数 值决定，当 m = 1 时，只有载频分量和第一边频分量 起主要作用。
12
2.频谱分析
调频和调相实质上最终都是调制总相角，因此可以写成统一的 形式
e(t) Ac cos(ct msinmt c ) Ac cos(ct c ) cos(msinmt) Ac sin(ct c )sin(msinmt)
• 进行幅度调制后，激光载波的振幅不再为常数，而是 与调制信号有关。调幅波的表达式为
Ecm t Ac 1 ma cosmt cosct c
ma
Am Ac
：调幅系数
通常情况下，ma 1
光波调制的基本概念
5
• 考虑三角函数积化和差公式
cos
cos
1 2
cos
cos
• 调幅波的表达式可以写为
其中：cos msin mt J0 (m) 2 J2n (m) cos 2nmt n1 sin msin mt 2 J2n1(m)sin 2n 1mt n1 e(t) Ac J0 m cos ct c J1 m cos c m t c
J1 m cos c m t c J2 m cos c 2m t c J2 m cos c 2m t c L
c
t
c
• 考虑积化和差公式
sin
sin
1 2
cos
cos
cos
cos
1 2
cos
cos
光波调制的基本概念
11
• 角度调制波的表达式可以写为
Ecm t AcJ0 m cos ct c
Ac Jn(m)cos c nm t c n1
1n Ac Jn(m)cos c nm t c n1
假设调制信号为余弦波：
cm t c t c ka t =c k Am cosmt
m k Am ：调相系数
因此有 Ecm t Ac cos ct m cosmt c
• 由于调频和调相实质上最终都是调制总相角，因此可 以写成统一的形式
Ecm t Ac cos ct m sinmt c
Ac[cos(ct c ) ma cosmt cos(ct c )]
Ac
cos(ct
c )
ma 2
Ac
cos[(c
m )t c ]
ma 2
Ac
cos[(c
m )t
c ]
调幅波含三个不同的频率 ：
第一项为调制前的激光振荡波 第二项激光频率和调制频率之和 第三项激光频率和调制频率之差
光波调制的基本概念
7
➢ 频率调制和相位调制----调频和调相：载波的频率和 相位随着调制信号的变化规律而改变；两者均表现为 总相角随时间的变化，因此统称为角度调制。
调频波的电场： Ecm t Ac cos t t c
假设调制信号为余弦波： t c t c k f a t
➢ 脉冲编码光调制：先将模拟信号经过模数转换（采样、 量化、编码）成一列二进制的数字信号后再对光载波 进行调制。
光波调制的基本概念
3
➢ 实现光波调制的两种方式：
• 利用调制信号直接控制激光器的振荡参数，使输出激 光束的特性随信号而变，称为内调制；
• 利用调制信号作用于激光器外部独立的调制器，产生 某种物理效应（如电光、磁光、声光、热光、非线性 等效应），使通过调制器的激光束某一个参量随信号 而变，称为外调制。
➢ 本章将首先介绍光波调制的基本概念，然后详细讨论 电光（强度、相位）调制器的工作原理，最后介绍电 光调制器在光通信和光信息处理系统中的应用。
光波调制的基本概念
4
➢ 振幅调制：载波的振幅随着调制信号的规律而改变， 简称调幅。
激光载波的电场： Ec t Ac cosct c
假设调制信号为余弦波： at Am cosmt
1
第九章 电光调制器
教 师：汪平河 办公地点：光电楼416室 E-mail:
光波调制的基本概念
2
➢ 光调制器和光开关是光通信和光信息处理系统中的重 要元件。
➢ 光调制：将信息（通常为电信号形式）加载到光载波 上，使光载波的某一个参数（振幅、频率、相位、偏 振等）随着所加载的信息而改变。
➢ 模拟光调制：利用模拟电信号（在时间上、幅度上） 连续地改变某一载波参数以实现光载波调制，包括幅 度（强度）调制、频率调制、相位调制和偏振调制。