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
集成光学第三章 矩形(三维)光波导
沿x方向的平板波导
d2X dx2
nx2 k02
2 x
X 0
沿y方向的平板波导
d 2Y dy2
n
2 y
k02
2 y
Y 0
2
2 x
2 y
n12k02
➢ 至此，矩形波导的分析（包括本征值 和场分布等） 可以通过沿x方向和沿y方向的两个平板波导的分析得 出结论。
马卡梯里近似解法
16
➢ 由于Y y 是 Ex x, y 沿y方向的分布函数，沿x方向偏
振，所以对于y方向的平板波导，相当于TE模
n2 y
TE模的波动方程
②
x
n1
b
2
Ex
y2
y
n2k02 2
Ex y 0
①
b Y y 相当于Ex y，所以满足
④
n4
d2Y y dy2
n2y k02
0，
z
i
，电场和磁
Ez y
i0 H x
i Ex
Ez x
i0H y
Ex y
i0 H z
H z y
i
Hy
i Ex
i Hx
H z x
0
H y x
H x y
i Ez
➢ 将磁场用电场表示
Hx
1
i0
Ez y
Hy
1
i0
i
Ex
Ez x
Hz
1
i0
E x y
马卡梯里近似解法
9
➢ 利用麦克斯韦方程组中电场的散度方程 D 0 可以
6
➢ 在矩形波导中，严格的TE模和TM模不存在，但是有 两类模式能够近似地满足波动方程和边界条件：
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。
[url=/]魔兽私服[/url]当含有多个波长的光波输入后，利用布拉格光栅就可以把某波长的光分离出来，如图3.2.4 a)所示。
利用普通的光分路器与多个光纤布喇格光栅就可以构成WDM系统使用的分波器，如图3.2.4 b)所示。
光纤布喇格光栅型波分复用器件的优点：
①．具有相当理想的带通特性，带内响应平坦、带外抑制比高；
②．温度特性较好，其温度系数可以与介质膜干涉滤波器型相媲美。
③．具有很高的分辨率。
光纤布喇格光栅型波分复用器件的缺点是插入衰耗比较大。
由于具有以上突出的优点，所以尽管它出现时间并不长，但目前已应用在16通道以上的WDM系统之中。
图3.2.4 ：光纤布喇格光栅型分波
器。