集成光學考試總結(jié)

1、第一章1. 集成光學的分類： 按集成的方式劃分：個數(shù)集成和功能集成 按集成的類型劃分：光子集成回路(PIC)和光電子集成回路(OEIC) 按集成的技術(shù)途徑劃分：單片集成和混合集成 按研究內(nèi)容劃分：導波光學和集成光路2. 集成光學的定義 (1)集成光學是在光電子學和微電子學基礎上，采用集成方法研究和發(fā)展光學器件和混合光學-電子學器件系統(tǒng)的一門新的學科。 (2)集成光學是研究介質(zhì)薄膜中的光學現(xiàn)象，以及光學元器件集成化的一門學科。 (3)集成光學是研究集成光路的特性和制造技術(shù)以及與微電子學相結(jié)合的學科。3. 集成光學的主要應用 光纖通信，光子計算機，光纖傳感4. 集成光學系統(tǒng)有什么優(yōu)點？ 1）集成光

2、學系統(tǒng)與離散光學器件系統(tǒng)的比較 (1)光波在光波導中傳播，光波容易控制和保持其能量。(2)集成化帶來的穩(wěn)固定位。 (3)器件尺寸和相互作用長度縮短；相關的電子器件的工作電壓也較低。(4)功率密度高。沿波導傳輸?shù)墓獗幌拗圃讵M小的局部空間，導致較高的功率密度，容易達到必要的器件工作閾值和利用非線性效應工作。 (5)體積小，重量輕。集成光學器件一般集成在厘米尺度的襯底上，其體積小，重量輕。 2）集成光路與集成電路的比較把激光器、調(diào)制器、探測器等有源器件集成在同一襯底上，并用光波導、隔離器、耦合器和濾波器等無源器件連接起來構(gòu)成的光學系統(tǒng)稱為集成光路，以實現(xiàn)光學系統(tǒng)的薄膜化、微型化和集成化。用集成光路代

3、替集成電路的優(yōu)點包括帶寬增加，波分復用，多路開關。耦合損耗小，尺寸小，重量輕，功耗小，成批制備經(jīng)濟性好，可靠性高等。由于光和物質(zhì)的多種相互作用，還可以在集成光路的構(gòu)成中，利用諸如光電效應、電光效應、聲光效應、磁光效應、熱光效應等多種物理效應，實現(xiàn)新型的器件功能。第二章1. 光波導的分類(a)平板波導(slab waveguide)(b)條形波導(strip waveguide) (c)圓柱波導(cylindrical waveguide)2. 會利用射線光學方法分析平板波導的覆蓋層輻射波、襯底層輻射波和傳導波的形成條件。3. TE、TM模的本征模方程（色散方程）是什么？TE、TM模的截止波長（

4、截止頻率）、波導截止厚度的表達式？為什么對稱波導的基模不存在截止頻率？4. 會求給定平板波導所能傳輸?shù)哪Ｊ剑?. 各種光束耦合器的工作原理和特點？棱鏡耦合器：棱鏡耦合法的優(yōu)點：1. 在最佳條件下可以得到很高的效率（輸入時約為80%，輸出時約為100）。2. 可以從自由導波模中任選一種進行激勵。3. 不僅適用于平板波導，在條形波導的情況下也可以高效率地使用。4. 棱鏡位置可即可離，能夠在實驗過程中調(diào)整，以實現(xiàn)最大耦合強度。缺點： (1) 棱鏡與波導間隙以及入射光束的位置需要進行精心調(diào)整，缺乏穩(wěn)定性。(2) 棱鏡耦合器所用的材料除應滿足npn1外，還要求對所用的光波長透明，無顯著吸收與散射。光柵耦

5、合器功能與棱鏡耦合器類似，用于實現(xiàn)自由空間和平面介質(zhì)光波導之間的耦合，不同的是棱鏡和間隙介質(zhì)被光柵薄膜代替。 光柵耦合器的優(yōu)點： 1) 不受光波導折射率大小的限制。2) 可以選擇所有導模中的任意一種進行激勵。3) 可以與波導集成。震動或外界環(huán)境的變化，不會改變耦合效率，穩(wěn)定性好，體積小，價格便宜。4) 調(diào)整光束的入射位置時不需要特別嚴格的精度。5) 也可以在橫向進行同樣的耦合，因此可以激勵寬度非常大的波導光。光柵耦合器的缺點：1)由于光柵耦合與入射光角度的高度相干性，光柵耦合器不能有效地用于發(fā)散光束的耦合；2) 光柵耦合器設計過程需要進行復雜的理論計算，而且制作比較困難；3) 器件的參數(shù)在制作

6、后無法進一步調(diào)整；4) 對于條形波導，光束截面的匹配比較困難。尖劈形薄膜耦合器優(yōu)點：制作簡單，可以實現(xiàn)有效的輸出耦合。缺點：用于輸入耦合時，很難獲得高的效率。第三章1. 光波導的調(diào)制內(nèi)調(diào)制（直接調(diào)制）和外調(diào)制（間接調(diào)制）：內(nèi)調(diào)制是利用調(diào)制信號直接控制激光器的振蕩參數(shù)，使輸出光的特性隨信號而改變。外調(diào)制是用調(diào)制信號作用于激光腔外面的調(diào)制器，產(chǎn)生某種物理效應（如電光、磁光、聲光、熱光等效應），使通過調(diào)制器的激光束的某一個參量隨信號而變。2. 光波調(diào)制相位調(diào)制，強度調(diào)制，偏振調(diào)制3. 會求電光效應引起的折射率的變化4. 聲光效應的布拉格條件和Q判據(jù)？拉曼奈斯衍射和布拉格衍射有何不同？根據(jù)聲波和光波的

7、波長以及相互作用區(qū)域的長度L的相對大小，存在兩種聲光衍射現(xiàn)象，即拉曼奈斯(Raman-Nath)衍射和布拉格衍射(1). 拉曼奈斯(Raman-Nath)衍射此時聲波頻率較低，聲波束寬度L較小，由于聲速比光束小的多，在光束通過介質(zhì)的時間內(nèi)，折射率的變化可以忽略不計，可以把聲光介質(zhì)看作相對靜止的“面相位光柵”或“薄光柵”，此時聲波的作用可視為與普通平面光柵相同的折射率光柵。由于光柵較薄，使得入射光在L距離內(nèi)只受到一次衍射就偏離原方向從器件中輸出，從而形成多級衍射光束。當入射光沿z方向 時，各級衍射處所相應的方向 由下式給出 計算表明，拉曼奈斯衍射的效率較低，其中一級衍射效率最大不超過35%，但這

8、種衍射不受入射角的限制，因此調(diào)節(jié)方便，在許多領域仍得到廣泛應用。(2) Raman-Nath衍射條件：當聲波束寬度滿足 時，即產(chǎn)生Raman-Nath衍射，可以忽略介質(zhì)中各衍射光的相互影響 。5. 自然旋光旋光定義：當線偏振光沿某些晶體（如石英）的光軸方向傳播，或通過某些溶液（如蔗糖）時，其振動面將以光的傳播方向為軸發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這稱為旋光現(xiàn)象。 自然旋光現(xiàn)象的特征（1）自然旋光具有可逆性。若迎著光傳播方向看去，振動面表現(xiàn)為右旋，則當光線逆反時，振動面仍表現(xiàn)為右旋，即左右旋與光的傳播方向無關?。?）光束一正一反兩次通過自然旋光物質(zhì)時，振動 面轉(zhuǎn)過角度為0。5. 什么是磁光效應，利用磁光效應可以構(gòu)成

9、哪些光學器件？法拉第磁致旋轉(zhuǎn)效應：在外加磁場B作用下，某些原本各向同性的介質(zhì)變成旋光性物質(zhì)，偏振光通過該物質(zhì)時其偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)。法拉第旋轉(zhuǎn)的特殊規(guī)律（1）磁致旋光不可逆性。當光傳播方向平行于磁場時，若法拉第效應表現(xiàn)為右旋，則當光線逆反時，法拉第效應表現(xiàn)為左旋。（2）光束一正一反兩次通過磁光介質(zhì)時，振動面轉(zhuǎn)過角度 。法拉第旋轉(zhuǎn)的應用：磁光隔離器（Isolators ）：放置于激光器及光放大器前面，防止系統(tǒng)中的反射光對器件性能的影響甚至損傷，即只允許光單向傳輸。磁光環(huán)行器（Circulators ）：一種三端口（或四端口）的非互易磁性器件，在光網(wǎng)絡中用于信號的上、下載。第四章1.電子躍遷的種類受激

10、輻射受激吸收自發(fā)輻射2. 半導體激光器的分類F-P腔激光器，分布反饋(DFB)激光器和分布Bragg反射器(DBR)激光器，量子限制激光器，垂直腔表面發(fā)射激光器（VCSEL），解理耦合腔半導體激光器(C3,cleaved coupled cavity)3. 半導體激光器效率的各種定義和表達式，會求半導體激光器的發(fā)射波長發(fā)射波長：4. DFB和DBR激光器在結(jié)構(gòu)和工作上有何不同？如何求它們的發(fā)射波長？(1)DFB激光器的模式:不正好是布拉格波長，而是對稱的位于 的兩側(cè)。 假設是允許DFB發(fā)射的模式，此時式中m是模數(shù)，L是衍射光柵有效長度。完全對稱的器件應具有兩個與B等距離的模式；實際上，由于制造

11、過程，或者有意使其不對稱，只能產(chǎn)生一個模式；又因為L B ，上式的第二項非常小，所以發(fā)射光的波長非?？拷麭 (2) DBR激光器除有源區(qū)外，還在緊靠其右側(cè)增加了一段分布式布拉格反射器，它起著衍射光柵的作用。 DBR激光器的輸出是反射光相長干涉的結(jié)果，只有當布拉格波長滿足(2) DBR結(jié)構(gòu)和DFB類似，區(qū)別在于DBR根據(jù)波導功能進行分區(qū)設計，光柵的周期性溝槽放在有源波導兩外側(cè)的無源波導上，從而避免了光柵制作過程中可能造成的晶格損傷。有源波導的增益性能和無源周期波導的Bragg反射作用相結(jié)合，只有位于Bragg頻率附近的光波才能得到激射。(3) DFB激光器的特點：1）動態(tài)單縱模窄線寬振蕩 DFB

12、激光器只有滿足Bragg反射條件的特定波長的光才能受到強烈反射而形成振蕩。多個微型諧振腔同步振蕩、共同選模，實現(xiàn)單縱模振蕩。 2）波長穩(wěn)定性好 溫度漂移約為0.08nm/。3）動態(tài)譜線好 DFB激光器在高速調(diào)制時仍然保持單模特性。4）線性度好 現(xiàn)已研制出線性度非常好的DFB激光器，廣泛用于模擬調(diào)制的有線電視光纖傳輸系統(tǒng)中。 5）波長選擇性改變光柵周期能夠在一定范圍內(nèi)有控制地選擇激光器的發(fā)射波長。(4) DBR激光器的特點：DFB激光器的增益區(qū)同光柵區(qū)重疊，當驅(qū)動電流改變時，輸出功率和發(fā)射波長同時改變；而DBR激光器的反射器和增益區(qū)分離，所以可以分別控制DBR激光器的輸出功率（通過改變流過激射區(qū)

13、的電流）和發(fā)射波長（通過改變流過光柵段的電流）。所以DBR激光器比DFB激光器更易于控制和調(diào)整。 5. 參數(shù)(1) 峰值波長在規(guī)定輸出光功率時，激光光譜內(nèi)強度最大的光譜波長被定義為峰值波長。 (2)中心波長 在光源的發(fā)射光譜中，連接50最大幅度值線段的中點所對應的波長稱為中心波長 (3)譜寬與線寬包含所有振蕩模式在內(nèi)的發(fā)射譜總的寬度稱為激光器的譜寬；某一單獨模式的寬度稱為線寬。(4) 邊模抑制比（SSR）邊模抑制比是指在發(fā)射光譜中，在規(guī)定的輸出功率和規(guī)定的調(diào)制（或CW）時最高光譜峰值強度與次高光譜峰值強度之比。該參數(shù)僅用于單模LD，如DFB-LD。6. 光檢測器光檢測器是光信號的接收器件，是完

14、成光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕囊环N有源器件，又稱光子計數(shù)器。它們檢測光信號的工作原理，可以分為三個步驟： (1)光信號產(chǎn)生光生載流子； (2)光生載流子的遷移和可能的倍增（放大）； (3)光電流與外電路的相互作用與聯(lián)系。 7. PIN光電檢測器的基本參數(shù)及定義,求PIN的響應度和量子效率（1） 波長響應（光譜特性） (a) 上截止波長:(b)下截止波長：當入射光波長太短時，光子的吸收系數(shù)很強，使光電轉(zhuǎn)換效率大大下降。 （2）光電轉(zhuǎn)換效率(a)量子效率：量子效率定義為入射在檢測器上的一個光子所產(chǎn)生的對光電流有貢獻的光生載流子數(shù)目。即(b) 響應度：（3）響應速度響應速度常用響應時間(上升時間和下降時間)

15、來表示。輸入階躍光功率時，光生電流脈沖由前沿最大幅度的10上升到的90，后沿的90下降到10的時間定義為脈沖上升時間和下降時間。8. APD的工作原理碰撞電離，雪崩倍增光生的電子-空穴對經(jīng)過高電場區(qū)時被加速。從而獲得足夠的能量，它們在高速運動中與 P 區(qū)晶格上的原子碰撞，使晶格中的原子電離，從而產(chǎn)生新的電子-空穴對。這種通過碰撞電離產(chǎn)生的電子-空穴對，稱為二次電子-空穴對。新產(chǎn)生的二次電子和空穴在高電場區(qū)里運動時又被加速，又可能碰撞別的原子，這樣多次碰撞電離的結(jié)果，使載流子迅速增加，反向電流迅速加大，形成雪崩倍增效應。第五章1. 光無源器件分類按功能分類：光耦合器、光開關、分波與合波器、透鏡、

16、光偏轉(zhuǎn)器、衍射光柵、反射器、偏振模轉(zhuǎn)換器、光濾波器、光衰減器、光隔離器、光環(huán)行器等。按所利用的物理效應分類：電光集成器件、聲光集成器件、熱光集成器件、磁光集成器件等。2. 電光調(diào)制器的分類和工作原理（重點是單波導型和定向耦合器型）(1)電光調(diào)制器的分類：單波導電光調(diào)制器，定向耦合器型電光開關與調(diào)制器，馬赫曾德爾干涉儀型電光開關與調(diào)制器，全內(nèi)反射型電光開關和調(diào)制器(2)單波導型工作原理: 這種調(diào)制器一般是在低折射率的襯底上制作高折射率的波導層并做上電極而構(gòu)成的。這類調(diào)制器中波導與襯底之間的總的折射率差主要是由三種不同的原因造成的, ,只要設法改變器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而改變上式等號右邊的三項的差值，

17、就可以設計出不同狀態(tài)的調(diào)制器或開關。(3)定向耦合器型工作原理：定向耦合式調(diào)制器是由平行且距離很小的兩個光波導組成，其中一個波導的光能耦合到另一個波導內(nèi)，電極電場的作用是改變波導的傳播特性和促進兩波導間的橫向光耦合。在光的一個耦合周期內(nèi)，當電極上無電壓時，一個波導內(nèi)傳輸?shù)墓鈱⑼耆満系搅硪粋€波導輸出；當電極上有電壓時，進入一個波導內(nèi)的光，耦合后將完全再返回到原波導中傳播和輸出.因此光信號就受到了控制電壓的調(diào)制。3. TE-TM模式分離器和轉(zhuǎn)換器的工作原理分離器：(1) 在波導層的表面直接制作金屬薄膜，根據(jù)金屬薄膜對TE模和TM模的傳輸損耗的差異來實現(xiàn)某個模式的消除。(2) 使用各向異性的晶體,

18、 在離子交換玻璃波導上，加載與LiNbO3同屬于三方晶系的負單軸晶體方解石（CaCO3）而構(gòu)成偏振器。方解石對應于正常光線和異常光線的折射率，在波長為0.633m時，分別為no=1.656，ne1.458，當波導的折射率為ng，存在著nongne的關系。假設方解石的光軸與TE模的偏振光方向一致，那么TE模就可以在玻璃波導中傳輸；TM模則由于ngno，會隨著波導光往方解石中的泄漏和散射而消失。轉(zhuǎn)換器：TETM模式轉(zhuǎn)換器的基本思想是采用沿導波傳播方向周期性地變化外加電場的方法來彌補TE模和TM模之間的相位失配，從而實現(xiàn)TETM之間的模式轉(zhuǎn)換。相位匹配關系為共線集成聲光器件的基本結(jié)構(gòu)單元是聲光TETM模式轉(zhuǎn)換器和偏振分束器，通過二者的組合，可以實現(xiàn)波長分波器、濾波器、波長選擇開關和分插復用器等。這類聲光器件的TETM光波模式轉(zhuǎn)換作用是由聲表面波引起的，而聲表面波是利用在壓電材料上制作的叉指換能器通過電聲轉(zhuǎn)換獲得的。聲表面波的頻率決定了能發(fā)生偏振模轉(zhuǎn)換的光波長，從而可以實現(xiàn)光波長選擇。第六章1. 光集成的方式有哪些？光集成的類型