3平面光波导材料
平面介质光波导的种类和特点
平面介质光波导的种类和特点以下是一些常见的平面介质光波导种类及其特点：1. 矩形光波导（Rectangular waveguide）：矩形光波导采用矩形截面的波导，通常由单一的光波导层构成。
特点是易于制作和集成，适用于大部分光学器件。
2. 溢射光波导（Guided-mode Leaky-waveguide）：溢射光波导多数由一层光波导层和一层辅助层构成。
特点是能够在光波导层中引导光波传输，同时也可以将一部分光波耦合到相邻的层中。
这种结构可用于光波导模式的选择和滤波。
3. 双折射光波导（Birefringent waveguide）：由于材料的晶格结构和各向异性，双折射光波导可以引导两种不同极化方向的光波。
这种结构常用于光波导偏振分束器和偏振模式控制器中。
4. 超材料光波导（Metamaterial waveguide）：超材料光波导采用元胞尺寸远小于波长的结构单元构成，从而显示出不同于自然材料的电磁特性。
这种光波导结构可以引导超深的光波和具有负折射率的光波。
5. 混凝土模光波导（Guided-mode Resonance waveguide）：混凝土模光波导可以通过改变薄膜层的折射率分布实现波导中的光波共振。
这种结构可以用于光波分布、滤波和耦合等应用。
6. 纳米光波导（Nanowire waveguide）：纳米光波导采用纳米尺寸的薄膜或纳米线构建，由于尺寸的减小，光波可以在纳米光波导中实现超高场增强和高度限域的光子模式。
这种结构在纳米光子学和量子光学中有着潜在的应用价值。
1.低损耗：与其他波导结构相比，平面介质光波导的传输损耗较低，使得它适用于长距离的光通信和光网络应用。
2.高集成度：平面介质光波导可以与其他的光学器件和电子器件集成在一起，实现高度紧凑的光学和电子系统。
3.自由分级：平面介质光波导材料和结构可以优化和设计，以满足不同波长或特定频率范围的光波导模式。
4.灵活可调：平面介质光波导的传输模式和传输性质可以通过改变薄膜材料、层厚、折射率和电场结构等参数进行调整。
(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
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PLC（平面光波导技术）详细资料大全
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PLC是英文Planar Lighave Circuit的缩写，翻译成中文为：平面光波导（技术）。
所谓平面光波导，也就是说光波导位于一个平面内。
基本介绍
•中文名：平面光波导
•外文名：Planar Lighave Circuit
•缩写：PLC
•PLC分路器：用二氧化矽做的
•PLC技术：涉及的材料非常广泛
正如大家所熟悉的单层电路板，所有电路都位于基板的一个平面内一样。
因此，PLC是一种技术，它不是泛指某类产品，更不是分路器！我们最常见的PLC分路器是用二氧化矽（SiO2）做的，其实PLC 技术所涉及的材料非常广泛，如玻璃/二氧化矽（Quartz/Silica/SiO2）、铌酸锂（LiNbO3）、III-V族半导体化合物（如InP,GaAs等）、绝缘体上的矽（Silicon-on-Insulator,SOI/SIMOX）、氮氧化矽（SiON）、高分子聚合物（Polymer）等。
基于平面光波导技术解决方案的器件包括：分路器（Splitter）、星形耦合器（Star coupler）、可调光衰减器（Variable Optical Attenuator,VOA）、光开关（Optical switch）、光梳（Interleaver）和阵列波导光栅（Array Waveguide Grating,AWG）等。
根据不同套用场合的需求（如回响时间、环境温度等），这些器件可以选择不同的材料体系以及加工工艺制作而成。
值得一提的是，这些器件都是光无源器件，并且是独立的。
他们之间可以相互组合，或者和其他有源器件相互组合，能构成各种不同功能的高端器件。
平面光波导的制备与测试技术
平面光波导的制备与测试技术光通信作为一种高速、大容量的通信方式，在现代通信领域中扮演着重要角色。
而平面光波导作为光通信中的核心组件之一，其制备与测试技术的发展对于提高光通信的性能和可靠性起着至关重要的作用。
一、平面光波导的制备技术平面光波导的制备过程主要包括材料选择、器件设计和加工工艺三个环节。
首先，材料选择是平面光波导制备的基础。
常见的平面光波导材料有硅(Si)、氧化硅(SiO2)、聚合物等。
硅是一种优良的基底材料，具有优异的光学和电子特性，被广泛应用于平面光波导的制备。
而氧化硅和聚合物则具有较好的光学特性和加工性能，适用于一些特殊需求的光波导器件。
其次，器件设计是平面光波导制备的核心。
器件设计主要包括平面光波导核心层的宽度、厚度等参数的确定，以及相应的布线规则。
平面光波导的核心层应保证光的传输效果，一般会采用较薄的材料。
此外，根据需要，还可以设计一些附加的结构，如激光器、光电探测器等。
最后，加工工艺是平面光波导制备的关键。
平面光波导的加工工艺主要包括光刻、湿法刻蚀、干法刻蚀和热压等步骤。
光刻是通过光干涉技术制备光刻胶阻隔层的过程，湿法刻蚀和干法刻蚀则用来刻蚀材料，以形成平面光波导结构。
热压则用来固定光波导结构与衬底之间的粘合。
二、平面光波导的测试技术平面光波导的测试技术对于确保器件的性能和可靠性至关重要。
首先，常见的平面光波导测试技术包括波导特性测试和光输出功率测试。
波导特性测试主要关注光波导的传输性能，包括驻波比、插损、耦合效率等参数的测量。
光波导可以通过光纤器件的耦合测试来评估光纤与光波导之间的传输效果。
而光输出功率测试则用来评估光波导器件的输出性能，可以通过光功率计等仪器进行测量。
其次，光波导对环境的敏感性和稳定性也需要进行测试。
在实际应用中，光波导往往会受到温度、湿度等环境因素的影响，因此需要对其在不同环境条件下的性能进行测试。
常见的测试方法包括温度循环、湿度暴露和振动测试等。
最后，平面光波导的可靠性测试是评估其在长期使用中的性能和稳定性的关键。
平面光波导 幻灯片
（3）
∂H z + j β H y = jωε 0 n 2 Ex ∂y ∂H z − jβ H x − = jωε 0 n 2 E y ∂x ∂H y ∂Hx − = jωε 0 n 2 Ez ∂x ∂y
∂ = 0 ，把这个关系代 ∂y
（4）
假设电磁场在y方向上不随坐标y变化，即
入方程（3）（4），就可以得到电磁场的两种模式：TE模和TM模 TE模 模
TM模：把磁场垂直于光的传输方 向（也就是z轴），这种电磁场分 布称为横磁模
波动 方程
+ (k 2n 2 − β 2 ) E y = 0
TE模：把电场垂直于光的传输 方向（也就是z轴），这种电磁 场分布称为横电模
2
TE模的色散方程 模的色散方程
x = ±a
κ = k 2 n 2 − β 2 1 其中 2 σ = β 2 − k 2 n0 ξ = β 2 − k 2 ns2
Acos(k x −φ)cos(k y −ψ ) x y −γ x ( x−a) Hy = Acos(kxa −φ)e cos(ky y −ψ ) −γ y ( y−d ) cos(ky d −ψ ) Acos(kx x −φ)e
2 -k x2 -k y + k 2 n12 − β 2 = 0 k x、k y、 2 2 2 -γ x -k y + k 2 n0 − β 2 = 0 γ x、γ y 2 2 2 的关系 -k x + γ y + k 2 n0 − β 2 = 0
（1 ）
% ∂H % ∇ × E = -µ 0 ∂ t （2），得到电 把它代入麦克斯韦方程： % 磁场的分量方程： 2 ∂E % ∇ × H =ε 0n ∂t
(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
平面光波导(PLC, planar Lightwave circuit)技术
平面光波导(PLC, planar Lightwave circuit)技术平面光波导(PLC, planar Lightwave circuit)技术随着FTTH的蓬勃发展，PLC(Planar Lightwave Circuit,平面光路)已经成为光通信行业使用频率最高的词汇之一，而PLC的概念并不限于我们光通信人所熟知的光分路器和AWG，其材料、工艺和应用多种多样，本文略作介绍。
1.平面光波导材料PLC光器件一般在六种材料上制作，它们是：铌酸锂（LiNbO3）、Ⅲ-Ⅴ族半导体化合物、二氧化硅（SiO2）、SOI（Silicon-on-Insulator, 绝缘体上硅）、聚合物（Polymer）和玻璃，各种材料上制作的波导结构如图1所示，其波导特性如表1所示。
图1. PLC光波导常用材料铌酸锂波导是通过在铌酸锂晶体上扩散Ti离子形成波导，波导结构为扩散型。
InP波导以InP为称底和下包层，以InGaAsP为芯层，以InP或者InP/空气为上包层，波导结构为掩埋脊形或者脊形。
二氧化硅波导以硅片为称底，以不同掺杂的SiO2材料为芯层和包层，波导结构为掩埋矩形。
SOI波导是在SOI基片上制作，称底、下包层、芯层和上包层材料分别为Si、SiO2、Si和空气，波导结构为脊形。
聚合物波导以硅片为称底，以不同掺杂浓度的Polymer材料为芯层，波导结构为掩埋矩形。
玻璃波导是通过在玻璃材料上扩散Ag离子形成波导，波导结构为扩散型。
表1. PLC光波导常用材料特性2. 平面光波导工艺以上六种常用的PLC光波导材料中，InP波导、二氧化硅波导、SOI波导和聚合物波导以刻蚀工艺制作，铌酸锂波导和玻璃波导以离子扩散工艺制作，下面分别以二氧化硅波导和玻璃波导为例，介绍两类波导工艺。
二氧化硅光波导的制作工艺如图2所示，整个工艺分为七步：1)采用火焰水解法（FHD）或者化学气相淀积工艺（CVD），在硅片上生长一层SiO2，其中掺杂磷、硼离子，作为波导下包层，如图2（b）所示；2)采用FHD或者CVD工艺，在下包层上再生长一层SiO2，作为波导芯层，其中掺杂锗离子，获得需要的折射率差，如图2（c）所示；3)通过退火硬化工艺，使前面生长的两层SiO2变得致密均匀，如图2（d）所示。
第六章 常见光波导材料与工艺
• 通常采用反渗透和离子交换系统去除水中的离 子。去除离子后的水通常称为去离子水。去离子 水在25℃时的电阻是18 000 000Ω ·cm，也就 是一般称为18MΩ 。图5.19显示了当水中含有大 量不同的溶解物质时的电阻值。 在VLSI制造中， 溶解固体 电阻 的容量 (ppm) (Ohms · cm 工艺水的目标是 25 û C) 18MΩ 。 18 000 000 0.0277 15 000 000 0.0333 水中的细菌是通 10 000 000 0.0500 过紫外线去除。 1 000 000 0.500
不同材料矩形单模波导的宽度
SiO2：n=1.44 Ge： SiO2：n=1.45 5~6 μm 30~40μm 500nm 220nm
两种波导的 优缺点？
SiO2：n=1.44 Si： n=3.4
做出的器件尺寸很小，但与 光纤耦合损耗大
做出的器件尺寸大，但与光 纤耦合损耗很小
如希望对光纤耦合损耗小：不同材 料的光波导结构
表4 发展阶段 第一阶段 第二阶段 第三阶段 波长 (m) 0.85 1.30 1.55 光纤发展阶段及所需材料 模 数 多 模 单 模 单 模 衰 耗 (dB/km) 1.5 0.8 0.16 中继距离 (Km) 10 60 500
第四阶段
2 -- 5
3×10-4
2500
光纤材料:
石英玻璃： SiO2、SiO2-GeO2、 SiO2-B2O3-
手摩擦脸 步行 用脚跺 地板 200% 200% 5000%
颗粒粘附
所有可以落在硅片表面的都称作颗粒。 颗粒来源： 空气 人体 设备 化学品 超级净化空气
风淋吹扫、防护服、面罩、 手套等，机器手/人
特殊设计及材料 定期清洗 超纯化学品 去离子水
平面波导技术及器件发展动态
平面波导技术及器件发展动态2004-08-22吴国锋中国电子科技集团第34研究所摘要本文介绍了平面波导技术及器件的发展情况，并概要指出了平面波导光器件的市场前景和发展方向。
关键词PLC、Polymer、InP、AWG1概述光波导是集成光学重要的基础性部件，它能将光波束缚在光波长量级尺寸的介质中，长距离无辐射的传输。
平面波导型光器件，又称为光子集成器件。
其技术核心是采用集成光学工艺根据功能要求制成各种平面光波导，有的还要在一定的位置上沉积电极，然后光波导再与光纤或光纤阵列耦合，是多类光器件的研究热点。
2技术种类按材料可分为四种基本类型：铌酸锂镀钛光波导、硅基沉积二氧化硅光波导、InGaAsP/InP光波导和聚合物（Polymer）光波导。
LiNbO3晶体是一种比较成熟的材料，它有极好的压电、电光和波导性质。
除了不能做光源和探测器外，适合制作光的各种控制、耦合和传输元件。
铌酸锂镀钛光波导开发较早，其主要工艺过程是：首先在铌酸锂基体上用蒸发沉积或溅射沉积的方法镀上钛膜，然后进行光刻，形成所需要的光波导图形，再进行扩散，可以采用外扩散、内扩散、质子交换和离子注入等方法来实现。
并沉积上二氧化硅保护层，制成平面光波导。
该波导的损耗一般为0.2-0.5dB/cm。
调制器和开关的驱动电压一般为10V 左右；一般的调制器带宽为几个GHz，采用行波电极的LiNbO3光波导调制器，带宽已达50GHz以上。
硅基沉积二氧化硅光波导是20世纪90年代发展起来的新技术，主要有氮氧化硅和掺锗的硅材料，国外已比较成熟。
其制造工艺有：火焰水解法（FHD）、化学气相淀积法（CVD，日本NEC公司开发）、等离子增强CVD法（美国Lucent公司开发）、反应离子蚀刻技术RIE多孔硅氧化法和熔胶－凝胶法（Sol-gel）。
该波导的损耗很小，约为0.02dB/cm。
基于磷化铟（InP）的InGaAsP/InP光波导的研究也比较成熟，它可与InP基的有源与无源光器件及InP基微电子回路集成在同一基片上，但其与光纤的耦合损耗较大。
平面光波导晶圆
平面光波导晶圆平面光波导晶圆是一种用于光学通信和集成光学器件的重要材料。
它具有平坦的表面和光学导模，可以有效地传输和控制光信号。
本文将介绍平面光波导晶圆的基本原理、制备方法以及应用领域。
一、基本原理平面光波导晶圆是利用光的全内反射原理，在光波导层中传输光信号。
光波导层一般由高折射率材料和低折射率材料交替堆积而成。
当光信号传入光波导层时，由于折射率的差异，光会被限制在光波导层内部传输，从而实现光信号的传输和控制。
二、制备方法平面光波导晶圆的制备方法主要包括沉积、刻蚀和退火等步骤。
首先，利用化学气相沉积或物理气相沉积等方法，在基底上沉积一层光波导材料。
然后，通过光刻和刻蚀工艺，将光波导层的形状和尺寸定义出来。
最后，进行退火处理，使光波导层的结晶结构得到优化，提高光学性能。
三、应用领域平面光波导晶圆在光学通信和集成光学器件中有着广泛的应用。
首先，它可以用于制备光纤通信中的耦合器、分路器和光开关等器件，实现光信号的传输、分配和切换。
其次，平面光波导晶圆也可以用于制备光学芯片中的光调制器、光放大器和光检测器等器件，实现光信号的调制、放大和检测。
此外，平面光波导晶圆还可以用于制备微波电路和光电子集成电路等领域，实现光与电的互相转换和集成。
总结：平面光波导晶圆是一种重要的光学材料，具有平坦的表面和光学导模。
通过合理的制备方法，可以制备出具有优良光学性能的平面光波导晶圆。
在光学通信和集成光学器件中，平面光波导晶圆有着广泛的应用，可以实现光信号的传输、控制和处理。
未来，随着光通信和集成光学技术的不断发展，平面光波导晶圆将会发挥更大的作用，为光学领域的进一步发展做出贡献。
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1.平面光波导材料
PLC光器件一般在六种材料上制作，它们是：铌酸锂（LiNbO3）、Ⅲ-Ⅴ族半导体化合物、二氧化硅（SiO2）、SOI（Silicon-on-Insulator, 绝缘体上硅）、聚合物（Polymer）和玻璃，各种材料上制作的波导结构如图1所示，其波导特性如表1所示。
图1. PLC光波导常用材料
表1. PLC光波导常用材料特性
铌酸锂波导是通过在铌酸锂晶体上扩散Ti离子形成波导，波导结构为扩散型。
InP波导以InP为称底和下包层，以InGaAsP为芯层，以InP或者InP/空气为上包层，波导结构为掩埋脊形或者脊形。
二氧化硅波导以硅片为称底，以不同掺杂的SiO2材料为芯层和包层，波导结构为掩埋矩形。
SOI波导是在SOI基片上制作，称底、下包层、芯层和上包层材料分别为Si、SiO2、Si和空气，波导结构为脊形。
聚合物波导以硅片为称底，以不同掺杂浓度的Polymer 材料为芯层，波导结构为掩埋矩形。
玻璃波导是通过在玻璃材料上扩散Ag离子形成波导，波导结构为扩散型。