光波導理論及器件

光波導理論及器件第一頁，共五十五頁，2022年，8月28日光波導的概念光纖、平面薄膜、窄條對光輻射實施限制和傳輸?shù)募夹g(shù)研究方法：射線理論、電磁場理論研究內(nèi)容：光波導中光的傳播行為、傳導模式、傳輸特性2第二頁，共五十五頁，2022年，8月28日平板波導射線光學：直觀、近似光線在介質(zhì)界面發(fā)生反射和折射

發(fā)生全反射光被限制在第1介質(zhì)內(nèi)，全反射可用于限制光的傳輸3電磁理論：復雜、完善第三頁，共五十五頁，2022年，8月28日平板波導4覆蓋層涂層基質(zhì)覆蓋層：通常為空氣，涂層：介質(zhì)薄膜，mm量級，也稱薄膜波導基質(zhì)：玻璃對稱平板波導非對稱平板波導空氣第四頁，共五十五頁，2022年，8月28日平板波導結(jié)構(gòu)中可能存在的幾種波的模式5輻射波（輻射模）基質(zhì)輻射波（基質(zhì)模）傳導波（傳導模）第五頁，共五十五頁，2022年，8月28日平板介質(zhì)波導中的導波x：橫向約束y：均勻z：傳播

引入沿z方向的傳播常數(shù)

則6導波有效折射率Nz方向最大傳播常數(shù)

第六頁，共五十五頁，2022年，8月28日TE與TM7TE模（縱向電場分量為0）TM模（縱向磁場分量為0）第七頁，共五十五頁，2022年，8月28日古斯-漢森位移和波導層的有效厚度--波導中的光能流問題有效波導層厚度8全反射：反射率為1，沒有能流進入基質(zhì)。實際上，存在倏逝波，沿x方向迅速衰減，z方向存在位移。第八頁，共五十五頁，2022年，8月28日平板波導的電磁理論基礎(chǔ)對光學現(xiàn)象的完善描述需借助電磁理論分析不存在自由電荷和傳導電流時直角坐標系中若麥克斯韋方程組具有隨時間周期變化的解，可表示為9復共軛第九頁，共五十五頁，2022年，8月28日介質(zhì)中

同時10沒有自由電荷和傳導電流時電磁空間分量的麥克斯韋方程組=第十頁，共五十五頁，2022年，8月28日平板波導中的麥克斯韋方程組導波沿z傳播，則橫向分量波導y方向無限大，不受限制，E、H在y方向不變，則11沒有自由電荷和傳導電流，無其它條件第十一頁，共五十五頁，2022年，8月28日12第十二頁，共五十五頁，2022年，8月28日TE波：只存在電場橫向分量令則TE波中，僅剩且TE波中的所有電磁分量均由決定，滿足常系數(shù)二階微分方程對于平板波導的三個層13同樣波導層-E在x方向周期變化-實數(shù)基質(zhì)層-E在x方向衰減-虛數(shù)覆蓋層-E在x方向衰減-虛數(shù)第十三頁，共五十五頁，2022年，8月28日從而各層中

場不能無限大，故14第十四頁，共五十五頁，2022年，8月28日三層中三個分量的表達式全部獲得，利用了橫電特性及三層介質(zhì)中光傳播特性需求解A、B、A2、A3系數(shù)，利用邊界條件電場磁場只剩下A，設(shè)x=0處，Ey(0)=E015邊界面上，電磁場切向分量連續(xù)第十五頁，共五十五頁，2022年，8月28日各層的全部非0場分量為：基底層（x<-d）：波導層（-d<x<0）：覆蓋層（x>0）：16第十六頁，共五十五頁，2022年，8月28日TE波的模和截止條件根據(jù)x=-d處連續(xù)條件方程的解為一組β值，對應(yīng)于TE波的本征模。17介質(zhì)波導本征值方程：關(guān)于傳播常數(shù)β的超越方程正整數(shù)—模數(shù)第十七頁，共五十五頁，2022年，8月28日對稱波導：18對稱模反對稱模圖中圓弧半徑由光波傳播常數(shù)即頻率決定：0<半徑<π/2:單個解，對稱模π/2<半徑<π:兩個解，對稱模，反對稱模π<半徑<3π/2:三個解，兩對稱模，一反對稱模第十八頁，共五十五頁，2022年，8月28日19低頻區(qū)（λ大，k小）：單模，關(guān)于-d/2對稱，電場在波導層內(nèi)余弦變化，波導層外指數(shù)衰減，至少單模。頻率升高：場向波導層中央集中，一定程度時出現(xiàn)反對稱解，形成雙模傳播。對稱單模傳播對稱、反對稱雙模傳播第十九頁，共五十五頁，2022年，8月28日小結(jié)20倏逝波倏逝波傳導行波第二十頁，共五十五頁，2022年，8月28日截止條件臨界條件時，發(fā)生全反射，對應(yīng)截止條件，對稱模反對稱模所有模截止條件為：實際上截止條件時：21波導的V值判斷導波模數(shù)，允許v+1個模第二十一頁，共五十五頁，2022年，8月28日光波導的模式22?光ABCD單模多模第二十二頁，共五十五頁，2022年，8月28日例1、例2、23存在2個導波模，v=0，1第二十三頁，共五十五頁，2022年，8月28日導波模性質(zhì)不同模正交性

兩個不同模的乘積在波導橫截面內(nèi)的積分為024第二十四頁，共五十五頁，2022年，8月28日導波模性質(zhì)波導模場分量可歸一化，對同一個模

正交歸一性使任意橫向場可展開為模場分量疊加的形式25第二十五頁，共五十五頁，2022年，8月28日導波模性質(zhì)沿z正方向行進的導波模所攜帶的能量密度其中26第二十六頁，共五十五頁，2022年，8月28日通道光波導27第二十七頁，共五十五頁，2022年，8月28日通道波導的描述矢量波方程導波在兩個方向受限，因此必須考慮電場磁場分量的矢量特性標量近似28第二十八頁，共五十五頁，2022年，8月28日標量方程的解法場屏蔽法29第二十九頁，共五十五頁，2022年，8月28日等效折射率法標量方程的解法30橫截面結(jié)構(gòu)等效平板波導第三十頁，共五十五頁，2022年，8月28日設(shè)計軟件FDTD：時域有限差分方法（FiniteDifferenceTimeDomain）。把Maxwell方程式在時間和空間領(lǐng)域上進行差分化。利用蛙跳式(Leapfrogalgorithm)--空間領(lǐng)域內(nèi)的電場和磁場進行交替計算，通過時間領(lǐng)域上更新來模仿電磁場的變化，達到數(shù)值計算的目的。用該方法分析問題的時候要考慮研究對象的幾何參數(shù)，材料參數(shù)，計算精度，計算復雜度，計算穩(wěn)定性等多方面的問題。其優(yōu)點是能夠直接模擬場的分布，精度比較高，是目前使用比較多的數(shù)值模擬的方法之一。31第三十一頁，共五十五頁，2022年，8月28日設(shè)計軟件光束傳播法：光束傳播法（BeamPropagationMethod，BPM）的基本思想是在給定初始場的前提下，一步一步地計算出各個傳播截面上的場。最早的BPM是以快速傅里葉變換(Fast-FourierTransform，稱FFT)為數(shù)學手段實現(xiàn)的，稱為FFT-BPM。FFT-BPM源于標量波方程，只能得到標量場(即只能處理一個偏振分量)，不能分辨出場的不同偏振以及場之間的耦合。同時它所采用的網(wǎng)格是均勻網(wǎng)格，在處理楔形、彎曲波導時不是很適合。由于上述缺點，D.Yevick等人于1989年提出有限差分光束傳播法，它將波導截面分成很多方格，在每一個格內(nèi)的場用差分方程來表示，然后加入邊界條件，就可得到整個橫截面的場分布。沿縱向重復前面的步驟，就可得到整個波導的場分布。這種方法已被成功地應(yīng)用于分析Y型波導及S型彎曲波導中的光波傳輸，且對損耗的計算也得到了準確的結(jié)果32第三十二頁，共五十五頁，2022年，8月28日光子晶體波導光子晶體：周期性結(jié)構(gòu)的介質(zhì)材料33第三十三頁，共五十五頁，2022年，8月28日1D:布拉格反射器2D:硅柱晶體3D:膠質(zhì)晶體第三十四頁，共五十五頁，2022年，8月28日二維光子晶體波導3590度轉(zhuǎn)折二維光子晶體波導線性二維光子晶體波導第三十五頁，共五十五頁，2022年，8月28日光子晶體波導Joannopoulosetal.第三十六頁，共五十五頁，2022年，8月28日光子晶體光纖37第三十七頁，共五十五頁，2022年，8月28日38陣列波導光柵：（1）輸出波導，（2）平板波導，（3）通道波導，（4）平板波導，（5）輸出波導光纖中光的傳輸光子晶體中光的傳輸?shù)谌隧摚参迨屙摚?022年，8月28日6.3光波導器件波導制造過程典型光波導器件39第三十九頁，共五十五頁，2022年，8月28日波導制造過程概述采用類似集成電路的制造技術(shù)，將光波導、光電二極管、半導體激光器等集成在同一塊兒芯片上。40基片波導涂層光刻膠涂層掩模曝光去除光刻膠波導層刻蝕波導層刻蝕下一層微米量級，潔凈室第四十頁，共五十五頁，2022年，8月28日41第四十一頁，共五十五頁，2022年，8月28日基片制備玻璃鍍膜：磁控濺射、真空蒸發(fā)、化學氣相沉積、溶膠凝膠。晶體：結(jié)晶基片（剛玉）上生長，需籽晶。熔融物液體晶片固體，如硅片在單晶爐中提拉生長，控制溫度、轉(zhuǎn)速、籽晶提拉速度半導體材料：GaAs，控制氣壓、溫度。晶體定向：X射線42玻璃絕緣晶體半導體材料被動光學光發(fā)射電光裝置第四十二頁，共五十五頁，2022年，8月28日波導膜沉積沉積：基片表面形成1um介質(zhì)或金屬膜43第四十三頁，共五十五頁，2022年，8月28日波導膜沉積非真空鍍膜44第四十四頁，共五十五頁，2022年，8月28日波導膜生長45將基片作為有序生長的模板，使膜與基片參數(shù)匹配。金屬有機化學氣相沉積系統(tǒng)（MOVPE）

藍光LED第四十五頁，共五十五頁，2022年，8月28日材料改性擴散：基片與摻雜材料直接接觸，加熱擴散，基片原子只能振動。離子交換與質(zhì)子交換：離子或質(zhì)子相互交換離子注入：離子通過高電壓加速，打入基片46第四十六頁，共五十五頁，2022年，8月28日刻蝕濕法刻蝕濺射法：物理過程，被刻蝕材料的原子受到離子的轟擊而從材料表面發(fā)射?；瘜W刻蝕：化學過程，利用等離子體中的化學活性院子團與備課時材料發(fā)生化學反應(yīng)，實現(xiàn)刻蝕目的。各向同性物理化學刻蝕-反應(yīng)離子刻蝕，高密度等離子體刻蝕：物理化學過程，通過活性離子對襯底的物理轟擊和化學反應(yīng)雙重作用刻蝕，同時兼有各向異性和選擇性。47第四十七頁，共五十五頁，2022年，8月28日金屬板印刷掩模板制備印刷拷貝主板48第四十八頁，共五十五頁，2022年，8月28日相位調(diào)制器49鈮酸鋰、鉭酸鋰：電場引起折射率變化Kaminow,etal.(1975)第四十九頁，共五十五頁，2022年，8月28日方向耦合器50由