波导光学5-集成光无源器件——波导光学课件PPT
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光波系统的无源器件课件完整版
4.2.1 光纤连接器分类
裸光纤转接器：将裸光纤与光源、探测 器以及各类光仪器进行连接旳器件，称 为裸光纤转接器。裸光纤与裸光纤转接 器使用时可互相连接；用完后，可以将 裸光纤抽出它用。因此彼此是可以结合 和分离旳。
4.2.1 光纤连接器分类
光纤连接器按传播媒介旳不一样可分为单模光 纤连接器和多模光纤连接器；按构造类型旳不 一样可分为FC、SC、ST、MU、LC、MT等多种型 式；按连接器旳插针端面接触方式可分为FC、 PC（UPC）和APC；尚有按光纤芯数旳多少分， 有单芯光纤连接器和多芯光纤连接器。不管何 种连接器，都必须具有损耗低、体积小、重量 轻、可靠性高、便于操作、反复性和互换性好 以及价格低廉等长处。
光纤 插针 套筒
插针 光纤 锥体插针 双锥套筒
锥体插针
(a)
(b)
图5-1 对接耦合式光纤连接器内部结构 ( a )套管结构 ( b ) 双锥结构
（2）SC（矩形）光纤连接器
是一种直接插拔耦合式连接器，不用旋转，可 自锁和启动，为非螺旋卡口型。它旳外壳是矩 形构造，采用模塑工艺制作，用增强旳PBT旳 内注模玻璃制造。插针套管是氧化锆整体型， 将其端面研磨成凸球面。插针体尾入口是锥形 旳，以便光纤插入到套管内。SC矩形光纤连接 器可以是单纤连接器也可以是多纤连接器，单 纤外形构造图参见图和图所示。该器件特点是 不需要螺纹连接，直接插拔，操作空间小，非 常适合于密集安装状态下使用，如光纤配线架， 光端机，以及局域网、顾客网等。按其插针端 面形状也分为平面接触SC、球面接触旳SC/PC 和斜球面接触旳SC/式对光纤连接性能影响很大。由于存在
公差，平面型接触旳两端面会有空隙，因玻璃纤维和空气折射率旳不一样而 引起多次反射，这种反射称为菲涅尔（Fresnel）反射。菲涅尔反射既增长损 耗，并且反射回波将使光源输出不稳定，导致光脉冲波形畸变，增长误码率。
《集成光学第一章》课件
利用集成光学器件实现高灵敏度、高 分辨率的光学传感，用于环境监测、 生物医疗等领域。
2023
PART 02
集成光学的基本原理
REPORTING
光的波动理论
01
02
03
光的波动理论
描述光在介质中的传播行 为，包括光速、波长、频 率等物理量。
光的干涉
当两束或多束相干光波相 遇时，它们会相互叠加产 生明暗相间的干涉现象。
光的衍射
光波在传播过程中遇到障 碍物时，会绕过障碍物边 缘产生衍射现象。
光的干涉和衍射
光的干涉
01
当两束或多束相干光波相遇时，它们会相互叠加产生明暗相间
的干涉现象。
光的衍射
02
光波在传播过程中遇到障碍物时，会绕过障碍物边缘产生衍射
现象。
干涉和衍射的应用
03
在光学仪器、通信等领域有广泛的应用，如干涉仪、衍射光栅
2023
PART 05
集成光学的发展前景
REPORTING
新材料的应用
硅基材料
硅基材料在集成光学领域具有广泛的应用，其具有高折射 率、低损耗、易于加工等特点，可用于制造高性能的光波 导器件。
聚合物材料
聚合物材料具有柔韧性好、成本低等优点，适合大规模集 成和柔性光子器件的制造。
氮化硅材料
氮化硅材料具有高热导率、化学稳定性好等特点，可用于 制造高温、高稳定性的光波导器件。
息技术的重要发展方向。
光通信技术
光通信技术是以光波为信息载体，利用集成光学技术实现高速、 大容量的信息传输和处理，是未来通信领域的重要发展方向。
2023
REPORTING
THANKS
感谢观看
总结词
第1章 光波导原理与器件概述PPT课件
长春理工大学
第1章 光导波原理与器件概论
第三，空间上多道阵列、多频段以致三维立体的光 学存储及处理的特点，使光存储和处理的容量可达 到1018kbit的“海量信息”。如果用集成光路来实 现光信号的逻辑运算、传送和处理，则可制成体积 小、速度快、容量大的“全光计算机”。光子计算 机与电子计算机相比有着并行处理、信号互不干扰、 开关速度快、光速传递、宽带以及信息容量极大的 优点。
离散光学系统是将有一定几何尺寸的光学元器 件固定在大型的光学平台或光具座上所构成的光路 系统。系统的大小约是几平方米的数量级，光束的 粗细约为5-10mm的范围。光束一般通过空气在各 个光学元器件之间进行传输。由于受到介质对光的 吸收、色散和散射等因素的影响，系统光能损耗较 大，组装、调整也比较困难。
长春理工大学
第1章 光导波原理与器件概论
1.1 导波光学的发展概况
1.1.1 导波光学基本概念 1.1.2 导波光学产生及发展过程
长春理工大学
第1章 光导波原理与器件概论
二十世纪六十年代激光的出现，使半导体 电子学、导波光学、非线性光学等一系列新学 科涌现出来。
二十世纪七十年，由于半导体激光器和光 导纤维技术的重大突破，使以光通信、光信息 处理、光纤传感、光信息存储与显示等为代表 的光信息科学与技术得到迅速发展，导波光学 已经成为光信息科学与技术的基础。
1、分支型开关阵列。在器件长度比较短、适合于 集成化的器件中大都采用LiNbO3分支开关。当波 导宽4μm时，电极长度为0.8mm，即使做成如图 1.3所示的1×4光学开关阵列，开关工作部分的长 度也仅仅只有3mm。
长春理工大学
第1章 光导波原理与器件概论
2、方向耦合器型开关阵列。 通常方向耦合器器件 长度约为5mm，即使不要求比较严格的制作精度， 也可以在比较低的电压下获得比较高的消光比，因 而首先用于制作集成化光学开关阵列。图1.4所示是 以Z切割LiNbO3为衬底，制作出的用于1.3μm波长 的4X4光学开关阵列。
第1章 光导波原理与器件概论
第三，空间上多道阵列、多频段以致三维立体的光 学存储及处理的特点，使光存储和处理的容量可达 到1018kbit的“海量信息”。如果用集成光路来实 现光信号的逻辑运算、传送和处理，则可制成体积 小、速度快、容量大的“全光计算机”。光子计算 机与电子计算机相比有着并行处理、信号互不干扰、 开关速度快、光速传递、宽带以及信息容量极大的 优点。
离散光学系统是将有一定几何尺寸的光学元器 件固定在大型的光学平台或光具座上所构成的光路 系统。系统的大小约是几平方米的数量级，光束的 粗细约为5-10mm的范围。光束一般通过空气在各 个光学元器件之间进行传输。由于受到介质对光的 吸收、色散和散射等因素的影响，系统光能损耗较 大，组装、调整也比较困难。
长春理工大学
第1章 光导波原理与器件概论
1.1 导波光学的发展概况
1.1.1 导波光学基本概念 1.1.2 导波光学产生及发展过程
长春理工大学
第1章 光导波原理与器件概论
二十世纪六十年代激光的出现，使半导体 电子学、导波光学、非线性光学等一系列新学 科涌现出来。
二十世纪七十年，由于半导体激光器和光 导纤维技术的重大突破，使以光通信、光信息 处理、光纤传感、光信息存储与显示等为代表 的光信息科学与技术得到迅速发展，导波光学 已经成为光信息科学与技术的基础。
1、分支型开关阵列。在器件长度比较短、适合于 集成化的器件中大都采用LiNbO3分支开关。当波 导宽4μm时，电极长度为0.8mm，即使做成如图 1.3所示的1×4光学开关阵列，开关工作部分的长 度也仅仅只有3mm。
长春理工大学
第1章 光导波原理与器件概论
2、方向耦合器型开关阵列。 通常方向耦合器器件 长度约为5mm，即使不要求比较严格的制作精度， 也可以在比较低的电压下获得比较高的消光比，因 而首先用于制作集成化光学开关阵列。图1.4所示是 以Z切割LiNbO3为衬底，制作出的用于1.3μm波长 的4X4光学开关阵列。
第五章 集成光无源器件
第五章 集成光无源器件
5.1 基本元件
5.1.1 定向耦合器及分支波导 1、定向耦合器 2、分支波导 5.1.2 透镜 1、模折射率透镜 2、短程透镜 3、折射和衍射微透镜 4、微透镜阵列在集成光学中的应用
5.1.1 定向耦合器及分支波导
目前常用的是光纤耦合器（Coupler）又称分支器（Splitter）， 是将光讯号从一条光纤中分至多条光纤中的元件，属於光无源元件领域， 在电信网路、有线电视网路、用户回路系统、区域网路中都会应用到， 与光纤连接器分列无源元件中使用最大项的。 光纤耦合器可分标准耦合器（双分支，单位1×2，亦即将光讯号分 成两个功率）、星状／树状耦合器、以及波长多工器（WDM，若波长属 高密度分出，即波长间距窄，则属於DWDM）。 制作方式则有烧结（Fuse）、微光学式（Micro Optics）、光波导 式（Wave Guide）三种，而以烧结式方法生产占多数（约有90％）
偏振分束器（PBS）
• 作用：用于组合或分开偏振态相互垂直的 TE和TM模式 • 原理：
2、分支（功分）波导
• 零间隙定向耦合 • 过渡锥形波导作用
– 降低反射 – 降低辐射损耗
1：2功分器 锥角~几%---十几% 分支臂夹角同上 波导宽度~几m 损耗~1dB
过渡锥形波导
5.1.2 透镜
傅里叶变换 透镜 聚集成像---聚焦、发散、扩束、准直，， 模折射率透镜 短程透镜 微透镜---直径10m~1mm
5.2.1 电光开关和电光调制器
• 原理---一致 • 区别---光转换速度：开关 ---慢（ms)，调制器---快 （ps) • 主要参数 –调制深度（消光比）
I I0 / I0 , I0 Im t I I0 / Im , Im I0
光波导理论与技术讲义(总结)(课堂PPT)
偏振模色散
1
2
束缚光线：0
z
cos1
n2 n1
; n2
n1
传播路径及分类 均匀介质薄膜波导
折射光线ccooss11
n2 n1 n3 n1
z z
cos1
n3 n1
; n3
2
;0
n3
n2
传播时延及时延差
=t/z=
max
n1
c cosz
n1 c
3
4
5
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
束 缚 光 线 ： 0
n
2 2
2 3
2
k
2 0
n
2 3
k xd
tan 1 2 kx
tan 1 3 kx
m
1 tan 1 2 1 tan 1 3 n
TM模的特征方程
2
kx 2
kx 2
kxd
tan1 2n12
kxn22
tan1
3n12
kxn32
m
1 tan1 2
2n12
kxn22
1 tan1 2
3n12
dr
；与z、都有关
ric [g(r)]1/2
11
自聚焦光纤
12
两种理论：几何光学理论 模式理论
四种介质：均匀平板波导 渐变平板波导 阶跃光纤 梯度光纤
影响光信号传输的三大因素：损耗 色散 非线性
两类器件：光无源器件 光有源器件
偏振模色散
13
TE模的特征方程
k
2 x
2
k
2 0
n
2 1
2 2
2
k
2 0
对HE11模 是主模式
波导光学5-集成光无源器件
x 输出波导
自由传输区 xo
dgo
LFPRo/2
do
LFPRo
输出端
像面
衍射方程： nFPRdi sini nFPRdo sino naL m
57
AWG的频谱周期特性
中心波长： naL mc
自由光谱范围(Free Spectral Range,FSR)：
FSR
集成光无源器件
• 集成光无源器件概述 • 典型的集成光无源器件
✓ 波导透镜 ✓ Y分支、定向耦合器、多模干涉耦合器 ✓ MZ干涉仪 ✓ 环形谐振腔 ✓ 阵列波导光栅
• 光隔离器与环形器
1
光器件与电器件的类比
电线 电阻 二极管 放大器 滤波器 电接插件 开关
光纤 光衰减器 光隔离器 光放大器 光滤波器 光连接器 光开关
• 光隔离器与环形器
8
波导型透镜
• 模折射率透镜(Mode Index Lens) • 短程透镜(Geodesic Lens) • 微透镜(MicroLens)
9
模折射率透镜(Mode Index Lens)
• 将传统的体型透镜平面化，在光波导上作 出圆形或者圆弧形的折射率分布曲线
10
短程透镜
15
Y分支光功率分配器模块
光纤 输入光
输入波导
PLC芯片 光纤阵列
锥形波导 弯曲波导 输出波导
R S
输出光 D=250 μm
输出光
16
Y分支的级联
(a) 树形级联方式
(b) Sparkler方式
17
Y分支功分器
18
第四章 集成光无源器件
• 集成光无源器件概述 • 典型的集成光无源器件
✓ 波导透镜 ✓ Y分支、定向耦合器、多模干涉耦合器 ✓ MZ干涉仪 ✓ 环形谐振腔 ✓ 阵列波导光栅
《光无源器件》课件
光无源器件
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汇报人：PPT
目录 /目录
01
点击此处添加 目录标题
04
光无源器件的 应用场景
02
光无源器件概 述
05
光无源器件的 市场分析
03
光无源器件的 原理与技术
06
光无源器件的 挑战与前景
01 添加章节标题
02 光无源器件概述
性能参数
光功率：表示光无源器件的输出光功率 光损耗：表示光无源器件的损耗程度 光隔离度：表示光无源器件的隔离性能 光稳定性：表示光无源器件的稳定性能
0应用
光纤通信：光无源 器件在光纤通信系 统中的应用广泛， 如光纤耦合器、光 纤分路器等。
光传输系统：光无 源器件在光传输系 统中的应用，如光 放大器、光调制器 等。
定义与分类
光无源器件：指在光通信系统中，不需 要外部电源即可工作的器件
分类：根据功能不同，可以分为光分路 器、光隔离器、光耦合器等
光分路器：用于将光信号分成多路，实 现光信号的分配和复用
光隔离器：用于防止光信号的反射和回 波，保证光信号的传输质量
光耦合器：用于将光信号从一个光纤传 输到另一个光纤，实现光信号的耦合和 分离
市场需求：光无源器件的市场需求尚未完全打开，需要加大市场推广力度 政策支持：政府对光无源器件产业的政策支持力度有待加强，需要争取更 多的政策支持
技术创新与突破方向
提高光无源器件的性能和稳定 性
降低光无源器件的成本和功耗
开发新型光无源器件，如光子 晶体、光子集成电路等
研究光无源器件在5G、物联网、 人工智能等领域的应用
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04
光无源器件的 应用场景
02
光无源器件概 述
05
光无源器件的 市场分析
03
光无源器件的 原理与技术
06
光无源器件的 挑战与前景
01 添加章节标题
02 光无源器件概述
性能参数
光功率：表示光无源器件的输出光功率 光损耗：表示光无源器件的损耗程度 光隔离度：表示光无源器件的隔离性能 光稳定性：表示光无源器件的稳定性能
0应用
光纤通信：光无源 器件在光纤通信系 统中的应用广泛， 如光纤耦合器、光 纤分路器等。
光传输系统：光无 源器件在光传输系 统中的应用，如光 放大器、光调制器 等。
定义与分类
光无源器件：指在光通信系统中，不需 要外部电源即可工作的器件
分类：根据功能不同，可以分为光分路 器、光隔离器、光耦合器等
光分路器：用于将光信号分成多路，实 现光信号的分配和复用
光隔离器：用于防止光信号的反射和回 波，保证光信号的传输质量
光耦合器：用于将光信号从一个光纤传 输到另一个光纤，实现光信号的耦合和 分离
市场需求：光无源器件的市场需求尚未完全打开，需要加大市场推广力度 政策支持：政府对光无源器件产业的政策支持力度有待加强，需要争取更 多的政策支持
技术创新与突破方向
提高光无源器件的性能和稳定 性
降低光无源器件的成本和功耗
开发新型光无源器件，如光子 晶体、光子集成电路等
研究光无源器件在5G、物联网、 人工智能等领域的应用
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光波导器件ppt课件
第3节 光波导器件
光在介质表面的反射与折射 全反射 平面光波导
1
光在介质界面上的反射与折射
界面条件：
nˆ1 n1; nˆ2 n2 i2
P光：光矢量与入 射面平行, TM波 N光：光矢量与入 射面垂直, TE波
1 1 1
O
2
Z 2
X
图 1.3.1 光在介质与导电材料界面上的反射与折射 Fig1.3.1 reflection and refraction of light on the surface between transparent medium and conducting medium
4
反射率与相移
rj j exp( i j ); j p n
• 反射率
Rj
2 j
自然光
R
1 2
(Rp
Rn )
• 相移 j ; j p n
5
举例
• 求 0.431m 的p光从空气垂直入射铝板
（移nˆ2 0.78 i 2.85 ）上的反射率并讨论光的相
解：因为垂直入射，所以 1 2 0 于是
反射系数r：反射光与入射光振幅之比；反射率R：反射光与入射光强度之比
透射系数t：透射光与入射光振幅之比；透射率T：透射光与入射光强度之比
2
定律 1 1 n1 sin1 nˆ2 sin2
3
反射率Ri ri 2; 透射率Ti ti 2 i p, n
显然：R+T=1
rp
nˆ2 nˆ2
c os1 c os1
rp
(n2 (n2
n1) i2 n1) i2
n2 n2
n1 2 n1 2
2 2
2 2
1/ 2
光在介质表面的反射与折射 全反射 平面光波导
1
光在介质界面上的反射与折射
界面条件：
nˆ1 n1; nˆ2 n2 i2
P光：光矢量与入 射面平行, TM波 N光：光矢量与入 射面垂直, TE波
1 1 1
O
2
Z 2
X
图 1.3.1 光在介质与导电材料界面上的反射与折射 Fig1.3.1 reflection and refraction of light on the surface between transparent medium and conducting medium
4
反射率与相移
rj j exp( i j ); j p n
• 反射率
Rj
2 j
自然光
R
1 2
(Rp
Rn )
• 相移 j ; j p n
5
举例
• 求 0.431m 的p光从空气垂直入射铝板
（移nˆ2 0.78 i 2.85 ）上的反射率并讨论光的相
解：因为垂直入射，所以 1 2 0 于是
反射系数r：反射光与入射光振幅之比；反射率R：反射光与入射光强度之比
透射系数t：透射光与入射光振幅之比；透射率T：透射光与入射光强度之比
2
定律 1 1 n1 sin1 nˆ2 sin2
3
反射率Ri ri 2; 透射率Ti ti 2 i p, n
显然：R+T=1
rp
nˆ2 nˆ2
c os1 c os1
rp
(n2 (n2
n1) i2 n1) i2
n2 n2
n1 2 n1 2
2 2
2 2
1/ 2
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14
输入波导
Y分支
锥形波导
输出波导
在分支区域之前的锥形部分（过渡区）平滑地将单模直波 导展宽，从而增大光波导本征模式的宽度以减小和输出波 导之间的耦合损耗。 • 对称型Y分支：两个分支臂具有相同的光传输特性，相同 的材料结构和相同的波导宽度，实现3dB耦合器功能。 • 非对称型Y分支：分支臂波导宽度不等，通过调整分支角 或者臂的宽度调节功分比，还可以通过电光、热光等效应 调节其中一个臂的折射率，实现分光比的可调谐。
• 光隔离器与环形器
22
多模干涉耦合器(MMI)
Multimode Section
Input Waveguide
Output Waveguides
➢ 由输入输出波导及多模干涉区组成;
➢ 与方向耦合器，Y分支，星型耦合器等相比，具有结构紧凑、易于制 作、损耗小、制作容差性好、偏振相关性小等优点;
➢ 已经在功分器，光开关，上下路器，波分复用器件，环形激光器等器 件中得到了广泛应用.
m
AmE(m) (x) exp[ j m 0 z]
m
Am E(m) (x) exp[
E1 E2
' '
2 2
1
j
E1
相位差=Pi/2
20
定向耦合器的缺点
• 如果需要较强的耦合，两根波导的间隔g0 需要很小，增加了加工制作的难度。
• 输出响应随波长变化明显。 • 输出响应随结构参数的变化明显。
21
第四章 集成光无源器件
• 集成光无源器件概述 • 典型的集成光无源器件
✓ 波导透镜 ✓ Y分支、定向耦合器、多模干涉耦合器 ✓ MZ干涉仪 ✓ 环形谐振腔 ✓ 阵列波导光栅
23
多模干涉耦合器
• 对于输入场 E(x, z) ，我们可以将其分解成多模区 所有模场的和 (正交且完备)
E(x, z) AmE(m) (x) exp[ jm z]
m
Am
E(x) Em* (x)dx Em* (x) Em* (x)dx
• 那么在多模区 z 处的场就可以表示成
相位因子Φ
E(x, z)
15
Y分支光功率分配器模块
光纤 输入光
输入波导
PLC芯片 光纤阵列
锥形波导 弯曲波导 输出波导
R S
输出光 D=250 μm
输出光
16
Y分支的级联
(a) 树形级联方式
(b) Sparkler方式
17
Y分支功分器
18
第四章 集成光无源器件
• 集成光无源器件概述 • 典型的集成光无源器件
✓ 波导透镜 ✓ Y分支、定向耦合器、多模干涉耦合器 ✓ MZ干涉仪 ✓ 环形谐振腔 ✓ 阵列波导光栅
• 微器件型
透镜、反射镜、棱镜等 分立光学元件
• 集成型
采用类似于半导体集成电路 的方法，把光学元件集成到同一块芯片上的集成光路
7
第四章 集成光无源器件
• 集成光无源器件概述 • 典型的集成光无源器件
✓ 波导透镜 ✓ Y分支、定向耦合器、多模干涉耦合器 ✓ MZ干涉仪 ✓ 环形谐振腔 ✓ 阵列波导光栅
• 将衬底（玻璃， LiNbO3）加工成曲 面，再在其表面形 成波导层制作成短 程透镜
11
微透镜
✓ 单个透镜的直径小，透镜密度高， 可实现信息的大容量，多通道并行 处理。因此，在光传感、光计算、 光纤通信及其它光电子器件中获得 了重要的应用。
对光源、探测器实现光束的耦合、 准直、扩束、汇聚等功能
12
• 光隔离器与环形器
19
定向耦合器
两根同样波导的耦合：
1
1’
2
L
2’
E1 E2
' '
cos j sin
j sin E1
cos
E2
E1 E2
其中 KL.
对一个3dB耦合器来说， cos2 1/ 2
cos j sin
j sin cos
2 1
2
j
j 1
当 E2 0 时有:
5
光无源器件
• 光无源器件是一种不 必借助外部的任何光 或电的能量，由自身 能够完成某种光学功 能的光学元器件。
• 其工作原理遵守几何 光学和物理光学基本 理论，各项技术指标、 各种计算公式和各种 测试方法与光纤光学 和集成光学息息相关。
6
光功分器 波分复用器
光无源器件的分类
• 光纤型
熔融拉锥功分器、光纤光栅
4
光无源器件
定义：不需要外加能源驱动工作的光电子器件 –光纤连接器（固定、活动,FC/PC,FC/APC） –光纤定向耦合器/分支器 –光分插复用器（OADM) –光波分/密集波分复用器（WDM/DWDM) –光衰减器（固定、连续） –光滤波器（带通、带阻） –光纤隔离器与环行器（偏振有关、无关） –光偏振态控制器、光纤延迟线、光纤光栅
微透镜
扩散法：
熔融盐槽中的金属离子经过掩 膜扩散以置换玻璃中的不同金 属离子，形成球形变化的折射 率分布
13
第四章 集成光无源器件
• 集成光无源器件概述 • 典型的集成光无源器件
✓ 波导透镜 ✓ Y分支、定向耦合器、多模干涉耦合器 ✓ MZ干涉仪 ✓ 环形谐振腔 ✓ 阵列波导光栅
• 光隔离器与环形器
• 光隔离器与环形器
8
波导型透镜
• 模折射率透镜(Mode Index Lens) • 短程透镜(Geodesic Lens) • 微透镜(MicroLens)
9
模折射率透镜(Mode Index Lens)
• 将传统的体型透镜平面化，在光波导上作 出圆形或者圆弧形的折射率分布曲线
10
短程透镜
的集成光无源器件
✓ 波导透镜 ✓ Y分支、定向耦合器、多模干涉耦合器 ✓ MZ干涉仪 ✓ 环形谐振腔 ✓ 阵列波导光栅
• 光隔离器与环形器
1
光器件与电器件的类比
电线 电阻 二极管 放大器 滤波器 电接插件 开关
光纤 光衰减器 光隔离器 光放大器 光滤波器 光连接器 光开关
调制器
光调制器
三通（多通） 光耦合器
混频器 光波分复用器
频率转换器 光波长转换器
电源
光源
探头
光探测器
集成电路
集成光路
2
光有源和无源器件
光电子器件类型（通信）
按是否需要外加能源驱动工作分： • 光有源器件 • 光无源器件
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光有源器件
定义：需要外加能源驱动工作的光电子器件
–半导体光源(LD,LED,DFB,QW,SQW,VCSEL) –半导体光探测器(PIN,APD） –光纤激光器（OFL:单波长、多波长） –光放大器(SOA,EDFA) –光波长转换器(XGM,XPM,FWM) –光调制器（EA） –光开关/路由器
输入波导
Y分支
锥形波导
输出波导
在分支区域之前的锥形部分（过渡区）平滑地将单模直波 导展宽，从而增大光波导本征模式的宽度以减小和输出波 导之间的耦合损耗。 • 对称型Y分支：两个分支臂具有相同的光传输特性，相同 的材料结构和相同的波导宽度，实现3dB耦合器功能。 • 非对称型Y分支：分支臂波导宽度不等，通过调整分支角 或者臂的宽度调节功分比，还可以通过电光、热光等效应 调节其中一个臂的折射率，实现分光比的可调谐。
• 光隔离器与环形器
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多模干涉耦合器(MMI)
Multimode Section
Input Waveguide
Output Waveguides
➢ 由输入输出波导及多模干涉区组成;
➢ 与方向耦合器，Y分支，星型耦合器等相比，具有结构紧凑、易于制 作、损耗小、制作容差性好、偏振相关性小等优点;
➢ 已经在功分器，光开关，上下路器，波分复用器件，环形激光器等器 件中得到了广泛应用.
m
AmE(m) (x) exp[ j m 0 z]
m
Am E(m) (x) exp[
E1 E2
' '
2 2
1
j
E1
相位差=Pi/2
20
定向耦合器的缺点
• 如果需要较强的耦合，两根波导的间隔g0 需要很小，增加了加工制作的难度。
• 输出响应随波长变化明显。 • 输出响应随结构参数的变化明显。
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第四章 集成光无源器件
• 集成光无源器件概述 • 典型的集成光无源器件
✓ 波导透镜 ✓ Y分支、定向耦合器、多模干涉耦合器 ✓ MZ干涉仪 ✓ 环形谐振腔 ✓ 阵列波导光栅
23
多模干涉耦合器
• 对于输入场 E(x, z) ，我们可以将其分解成多模区 所有模场的和 (正交且完备)
E(x, z) AmE(m) (x) exp[ jm z]
m
Am
E(x) Em* (x)dx Em* (x) Em* (x)dx
• 那么在多模区 z 处的场就可以表示成
相位因子Φ
E(x, z)
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Y分支光功率分配器模块
光纤 输入光
输入波导
PLC芯片 光纤阵列
锥形波导 弯曲波导 输出波导
R S
输出光 D=250 μm
输出光
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Y分支的级联
(a) 树形级联方式
(b) Sparkler方式
17
Y分支功分器
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第四章 集成光无源器件
• 集成光无源器件概述 • 典型的集成光无源器件
✓ 波导透镜 ✓ Y分支、定向耦合器、多模干涉耦合器 ✓ MZ干涉仪 ✓ 环形谐振腔 ✓ 阵列波导光栅
• 微器件型
透镜、反射镜、棱镜等 分立光学元件
• 集成型
采用类似于半导体集成电路 的方法，把光学元件集成到同一块芯片上的集成光路
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第四章 集成光无源器件
• 集成光无源器件概述 • 典型的集成光无源器件
✓ 波导透镜 ✓ Y分支、定向耦合器、多模干涉耦合器 ✓ MZ干涉仪 ✓ 环形谐振腔 ✓ 阵列波导光栅
• 将衬底（玻璃， LiNbO3）加工成曲 面，再在其表面形 成波导层制作成短 程透镜
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微透镜
✓ 单个透镜的直径小，透镜密度高， 可实现信息的大容量，多通道并行 处理。因此，在光传感、光计算、 光纤通信及其它光电子器件中获得 了重要的应用。
对光源、探测器实现光束的耦合、 准直、扩束、汇聚等功能
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• 光隔离器与环形器
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定向耦合器
两根同样波导的耦合：
1
1’
2
L
2’
E1 E2
' '
cos j sin
j sin E1
cos
E2
E1 E2
其中 KL.
对一个3dB耦合器来说， cos2 1/ 2
cos j sin
j sin cos
2 1
2
j
j 1
当 E2 0 时有:
5
光无源器件
• 光无源器件是一种不 必借助外部的任何光 或电的能量，由自身 能够完成某种光学功 能的光学元器件。
• 其工作原理遵守几何 光学和物理光学基本 理论，各项技术指标、 各种计算公式和各种 测试方法与光纤光学 和集成光学息息相关。
6
光功分器 波分复用器
光无源器件的分类
• 光纤型
熔融拉锥功分器、光纤光栅
4
光无源器件
定义：不需要外加能源驱动工作的光电子器件 –光纤连接器（固定、活动,FC/PC,FC/APC） –光纤定向耦合器/分支器 –光分插复用器（OADM) –光波分/密集波分复用器（WDM/DWDM) –光衰减器（固定、连续） –光滤波器（带通、带阻） –光纤隔离器与环行器（偏振有关、无关） –光偏振态控制器、光纤延迟线、光纤光栅
微透镜
扩散法：
熔融盐槽中的金属离子经过掩 膜扩散以置换玻璃中的不同金 属离子，形成球形变化的折射 率分布
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第四章 集成光无源器件
• 集成光无源器件概述 • 典型的集成光无源器件
✓ 波导透镜 ✓ Y分支、定向耦合器、多模干涉耦合器 ✓ MZ干涉仪 ✓ 环形谐振腔 ✓ 阵列波导光栅
• 光隔离器与环形器
• 光隔离器与环形器
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波导型透镜
• 模折射率透镜(Mode Index Lens) • 短程透镜(Geodesic Lens) • 微透镜(MicroLens)
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模折射率透镜(Mode Index Lens)
• 将传统的体型透镜平面化，在光波导上作 出圆形或者圆弧形的折射率分布曲线
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短程透镜
的集成光无源器件
✓ 波导透镜 ✓ Y分支、定向耦合器、多模干涉耦合器 ✓ MZ干涉仪 ✓ 环形谐振腔 ✓ 阵列波导光栅
• 光隔离器与环形器
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光器件与电器件的类比
电线 电阻 二极管 放大器 滤波器 电接插件 开关
光纤 光衰减器 光隔离器 光放大器 光滤波器 光连接器 光开关
调制器
光调制器
三通（多通） 光耦合器
混频器 光波分复用器
频率转换器 光波长转换器
电源
光源
探头
光探测器
集成电路
集成光路
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光有源和无源器件
光电子器件类型（通信）
按是否需要外加能源驱动工作分： • 光有源器件 • 光无源器件
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光有源器件
定义：需要外加能源驱动工作的光电子器件
–半导体光源(LD,LED,DFB,QW,SQW,VCSEL) –半导体光探测器(PIN,APD） –光纤激光器（OFL:单波长、多波长） –光放大器(SOA,EDFA) –光波长转换器(XGM,XPM,FWM) –光调制器（EA） –光开关/路由器