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。
[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。
(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。
PLC及光子集成技术简介
光网络系统是互联网的循环系统，它把从电脑、 光网络系统是互联网的循环系统，它把从电脑、电话 或其它网络装置接收到的电子信号转换成光，然后将这些 或其它网络装置接收到的电子信号转换成光， 光束通过光纤电缆传送到一个城市、 光束通过光纤电缆传送到一个城市、国家甚至是世界的另 一端。 一端。然而光网络系统的发展步伐远比不上诸如个人电脑 或者是移动电话等其它科技产品。 或者是移动电话等其它科技产品。一些处于传统光网络系 统核心的光设备，如激光器、调制器和光电二极管，仍然 统核心的光设备，如激光器、调制器和光电二极管， 是以独立装置的形式来生产、封装和部署的。 是以独立装置的形式来生产、封装和部署的。这使得传统 光系统体积庞大、结构复杂并且费用昂贵。 的光系统体积庞大、结构复杂并且费用昂贵。由于这些光 设备都需要与光纤连接，这令可靠性降低 可靠性降低。 设备都需要与光纤连接，这令可靠性降低。互联网基础设 施成本居高不下的原因之一， 施成本居高不下的原因之一，就是这些光学元件的性能相 对来说比较原始。 对来说比较原始。
平面光波导制作工艺和传统的半导体制作工艺兼容。 平面光波导制作工艺和传统的半导体制作工艺兼容。 PLC技术制作的光模块比传统光学组装工艺更加便宜， 技术制作的光模块比传统光学组装工艺更加便宜， 技术制作的光模块比传统光学组装工艺更加便宜 封装技术也比传统技术更好 平面光波导（PLC）技术帮助光学装配技术朝着迈入 平面光波导（ ） 印制电路板时代”迈出了第一步。 “印制电路板时代”迈出了第一步。
这种芯片（约2cm 宽）采用的是铟磷 化合物半导体
芯片上集成了240个 光学器件
平面光波导的两种基本结构
(a) 矩形光波导
(b) 脊形光波导
集成光学第三章 矩形(三维)光波导
2Ex y 2
nx2k02 n2yk02 n12k02 2
Ex 0
nx2
n32 n12
n52
xa a xa x a
n2y nn1222 n42
yb b y b y b
差别仅存在于4个阴影角区域，而在马卡梯里近似下， 角区是忽略不计的。
马卡梯里近似解法
13
➢ 采用分离变量法，假设 Ex x, y X xY y ，代入上
Hx
1
i0
Ez y
1
i0
y
1
i
Ex x
1
0
2Ex xy
Hy
2Ex
2Ex x 2
Hz
1
i0
E x y
Ez
1
i
E x x
马卡梯里近似解法
11
Hy
1
0
2Ex
2Ex x2
Hz
1
i0
E x y
代入下面的方程
H z y
i
Hy
i Ex
整理后得到
E
x mn
得到
r E 0
➢ 考虑 E y 0 ，得到
x
r
Ex
z
r
Ez
0
➢ 考虑波导折射率沿z方向不变，且 i ，得到
z
x
r Ex
ir Ez
0
即
Ez
1
ir
x
r
E
x
1
i
r
r
x
Ex
1
i
E x x
1
i
E x x
马卡梯里近似解法
10
➢ 电、磁场分量 H x、H y 、Hz 、Ez 与电场分量Ex的关系