第1章 光波導原理與器件概述

1、光導波原理與器件光導波原理與器件第第1章章 光波導原理與器件概述光波導原理與器件概述第第2章章 光波導的基本理論光波導的基本理論第第3章章 光波導器件與傳感器光波導器件與傳感器第第4章章 光波導的制備技術光波導的制備技術第第5章章 光波導的耦合理論與耦合器光波導的耦合理論與耦合器第第6章章 光波導調(diào)制技術光波導調(diào)制技術第第7章章 光纖和光纖技術光纖和光纖技術第第1章章 光導波原理與器件概論光導波原理與器件概論 1.1 導波光學的發(fā)展概況導波光學的發(fā)展概況 1.2 導波光學系統(tǒng)構(gòu)成及優(yōu)點導波光學系統(tǒng)構(gòu)成及優(yōu)點 1.3 光波導器件的進展光波導器件的進展 1.4 光波導技術發(fā)展前景和趨勢光波導技術發(fā)

2、展前景和趨勢 長春理工大學長春理工大學1.1.1 導波光學基本概念導波光學基本概念 1.1.2 導波光學產(chǎn)生及發(fā)展過導波光學產(chǎn)生及發(fā)展過程程 1.1 導波光學的發(fā)展概況導波光學的發(fā)展概況 第第1章章 光導波原理與器件概論光導波原理與器件概論長春理工大學長春理工大學 二十世紀六十年代激光的出現(xiàn)，使半導體二十世紀六十年代激光的出現(xiàn)，使半導體電子學、導波光學、非線性光學等一系列新學電子學、導波光學、非線性光學等一系列新學科涌現(xiàn)出來?？朴楷F(xiàn)出來。 二十世紀七十年，由于半導體激光器和光二十世紀七十年，由于半導體激光器和光導纖維技術的重大突破，使以光通信、光信息導纖維技術的重大突破，使以光通信、光信息處理

3、、光纖傳感、光信息存儲與顯示等為代表處理、光纖傳感、光信息存儲與顯示等為代表的光信息科學與技術得到迅速發(fā)展，導波光學的光信息科學與技術得到迅速發(fā)展，導波光學已經(jīng)成為光信息科學與技術的基礎。已經(jīng)成為光信息科學與技術的基礎。 為了便于理解導波光學的含義，我們從相為了便于理解導波光學的含義，我們從相關的基本概念講起。關的基本概念講起。 第第1章章 光導波原理與器件概論光導波原理與器件概論長春理工大學長春理工大學1.1.1 導波光學基本概念導波光學基本概念 1、導波光學：、導波光學：導波光學是研究光在光波導中傳輸導波光學是研究光在光波導中傳輸規(guī)律及其應用的學科。它的研究對象是以光波導現(xiàn)規(guī)律及其應用的學

4、科。它的研究對象是以光波導現(xiàn)象為基礎的光子學和光電子學系統(tǒng)。象為基礎的光子學和光電子學系統(tǒng)。光波導：光波導：光波導一般指導光薄膜，定義為有一維或光波導一般指導光薄膜，定義為有一維或二維限制的狹窄的導光通道元器件。二維限制的狹窄的導光通道元器件。光子學：光子學：光子學定義為光的產(chǎn)生、發(fā)射及相互作用光子學定義為光的產(chǎn)生、發(fā)射及相互作用的微觀量子理論。的微觀量子理論。 光電子學：光電子學：光電子學是由光學和電子學相結(jié)合而形光電子學是由光學和電子學相結(jié)合而形成的新技術學科。成的新技術學科。第第1章章 光導波原理與器件概論光導波原理與器件概論長春理工大學長春理工大學2、集成光路：、集成光路：集成光路指在

5、光波導上制造微型的集成光路指在光波導上制造微型的光學元件，并互連耦合為具有一定功能的光學系統(tǒng)，光學元件，并互連耦合為具有一定功能的光學系統(tǒng)，用以實現(xiàn)光的發(fā)射、傳輸、偏轉(zhuǎn)、調(diào)制和探測功能用以實現(xiàn)光的發(fā)射、傳輸、偏轉(zhuǎn)、調(diào)制和探測功能的光路系統(tǒng)。的光路系統(tǒng)。第第1章章 光導波原理與器件概論光導波原理與器件概論長春理工大學長春理工大學1.1.2 導波光學產(chǎn)生及發(fā)展過程導波光學產(chǎn)生及發(fā)展過程 l推動導波光學發(fā)展的動力來自于人們要制造小推動導波光學發(fā)展的動力來自于人們要制造小型化光學元件和集成化光學系統(tǒng)，即制造結(jié)構(gòu)緊型化光學元件和集成化光學系統(tǒng)，即制造結(jié)構(gòu)緊湊，性能穩(wěn)定的集成光路。湊，性能穩(wěn)定的集成光路。

6、l制造集成光路首先要解決的就是光源小型化，制造集成光路首先要解決的就是光源小型化，因此，導波光學是伴隨半導體激光器的發(fā)展而發(fā)因此，導波光學是伴隨半導體激光器的發(fā)展而發(fā)展起來的。展起來的。l1962年年7月，在固體器件研究國際會議上，美國月，在固體器件研究國際會議上，美國麻省理工學院林肯實驗室的學者克耶斯和奎斯特麻省理工學院林肯實驗室的學者克耶斯和奎斯特報告了砷化鎵材料的光發(fā)射現(xiàn)象，這是半導體激報告了砷化鎵材料的光發(fā)射現(xiàn)象，這是半導體激光器的雛形。光器的雛形。第第1章章 光導波原理與器件概論光導波原理與器件概論長春理工大學長春理工大學l半導體激光器以材料的半導體激光器以材料的p-n結(jié)特性為基礎，

7、因此，結(jié)特性為基礎，因此，半導體激光器常被稱為二極管激光器或激光二極管。半導體激光器常被稱為二極管激光器或激光二極管。l20世紀世紀60年代初期的半導體激光器是同質(zhì)結(jié)型激年代初期的半導體激光器是同質(zhì)結(jié)型激光器，它是在一種材料上制作的光器，它是在一種材料上制作的p-n結(jié)二極管在正向結(jié)二極管在正向大電流注入下，電子不斷地向大電流注入下，電子不斷地向p區(qū)注入，空穴不斷區(qū)注入，空穴不斷地向地向n區(qū)注入。區(qū)注入。第第1章章 光導波原理與器件概論光導波原理與器件概論長春理工大學長春理工大學半導體激光器發(fā)展的第二階段是異質(zhì)結(jié)構(gòu)半導體半導體激光器發(fā)展的第二階段是異質(zhì)結(jié)構(gòu)半導體激光器，它是由兩種不同帶隙的半導體

8、材料薄層，如激光器，它是由兩種不同帶隙的半導體材料薄層，如GaAs, GaAlAs所組成。它是利用異質(zhì)結(jié)提供的勢壘所組成。它是利用異質(zhì)結(jié)提供的勢壘把注入電子限制在把注入電子限制在GaAs p-n結(jié)的結(jié)的p區(qū)之內(nèi)，以此來降區(qū)之內(nèi)，以此來降低閾值電流密度，其數(shù)值比同質(zhì)結(jié)激光器降低了一個低閾值電流密度，其數(shù)值比同質(zhì)結(jié)激光器降低了一個量級，但單異質(zhì)結(jié)激光器仍不能在室溫下連續(xù)工作。量級，但單異質(zhì)結(jié)激光器仍不能在室溫下連續(xù)工作。 第第1章章 光導波原理與器件概論光導波原理與器件概論長春理工大學長春理工大學1970年，實現(xiàn)了激光波長為年，實現(xiàn)了激光波長為900nm室溫連續(xù)工作的室溫連續(xù)工作的雙異質(zhì)結(jié)雙異質(zhì)結(jié)

9、GaAs-GaAlAs激光器。其結(jié)構(gòu)的特點是激光器。其結(jié)構(gòu)的特點是在在p型和型和n型材料之間生長了僅有型材料之間生長了僅有0. 2m厚的，不摻厚的，不摻雜的，具有較窄能隙材料的一個薄層，因此注入的雜的，具有較窄能隙材料的一個薄層，因此注入的載流子被限制在該區(qū)域內(nèi)載流子被限制在該區(qū)域內(nèi)(有源區(qū)有源區(qū))，這樣注入較少，這樣注入較少的電流就可以實現(xiàn)載流子數(shù)的反轉(zhuǎn)。的電流就可以實現(xiàn)載流子數(shù)的反轉(zhuǎn)。第第1章章 光導波原理與器件概論光導波原理與器件概論長春理工大學長春理工大學p在半導體激光器件中，目前比較成熟、性能較好、在半導體激光器件中，目前比較成熟、性能較好、應用較廣的是具有雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電注入式應用較

10、廣的是具有雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電注入式GaAs二極二極管激光器。管激光器。p隨著異質(zhì)結(jié)激光器的研究發(fā)展，人們想到將超薄膜隨著異質(zhì)結(jié)激光器的研究發(fā)展，人們想到將超薄膜( 20nm)的半導體層作為激光器的激活層，以致于能的半導體層作為激光器的激活層，以致于能夠產(chǎn)生量子效應。夠產(chǎn)生量子效應。p由于由于MBE，MOCVD技術的成熟，在技術的成熟，在1978年出現(xiàn)了年出現(xiàn)了世界上第一只半導體量子阱激光器世界上第一只半導體量子阱激光器(QWL)。p子阱半導體激光器與雙異質(zhì)結(jié)子阱半導體激光器與雙異質(zhì)結(jié)(DH)激光器相比，具激光器相比，具有閾值電流低、輸出功率高，頻率響應好，光譜線窄有閾值電流低、輸出功率高，頻率響應

11、好，光譜線窄和溫度穩(wěn)定性好和較高的電光轉(zhuǎn)換效率等許多優(yōu)點。和溫度穩(wěn)定性好和較高的電光轉(zhuǎn)換效率等許多優(yōu)點。 第第1章章 光導波原理與器件概論光導波原理與器件概論長春理工大學長春理工大學QWL在結(jié)構(gòu)上的特點是它的有源區(qū)是由多個或單在結(jié)構(gòu)上的特點是它的有源區(qū)是由多個或單個阱寬約為個阱寬約為10nm的勢阱所組成，由于勢阱寬度小的勢阱所組成，由于勢阱寬度小于材料中電子的德布羅意波的波長，產(chǎn)生了量子效于材料中電子的德布羅意波的波長，產(chǎn)生了量子效應，連續(xù)的能帶分裂為子能級。因此，特別有利于應，連續(xù)的能帶分裂為子能級。因此，特別有利于載流子的有效填充，所需要的激射閾值電流特別低。載流子的有效填充，所需要的激射

12、閾值電流特別低。半導體激光器的結(jié)構(gòu)中應用的主要是單、多量子半導體激光器的結(jié)構(gòu)中應用的主要是單、多量子阱，單量子阱阱，單量子阱(SQW)激光器的結(jié)構(gòu)基本上就是把普激光器的結(jié)構(gòu)基本上就是把普通雙異質(zhì)結(jié)通雙異質(zhì)結(jié)(DH)激光器的有源層厚度做成數(shù)十激光器的有源層厚度做成數(shù)十nm以下的一種激光器，通常把勢壘較厚以致于相鄰勢以下的一種激光器，通常把勢壘較厚以致于相鄰勢阱中電子波函數(shù)不發(fā)生交迭的周期結(jié)構(gòu)稱為多量子阱中電子波函數(shù)不發(fā)生交迭的周期結(jié)構(gòu)稱為多量子阱阱(MQW )。 第第1章章 光導波原理與器件概論光導波原理與器件概論長春理工大學長春理工大學長春理工大學長春理工大學1.2 導波光學系統(tǒng)構(gòu)成及優(yōu)點導波

13、光學系統(tǒng)構(gòu)成及優(yōu)點 1.2.1 導波光學系統(tǒng)構(gòu)成導波光學系統(tǒng)構(gòu)成 1.2.2 導波光學系統(tǒng)優(yōu)點導波光學系統(tǒng)優(yōu)點 第第1章章 光導波原理與器件概論光導波原理與器件概論長春理工大學長春理工大學1.2.1 導波光學系統(tǒng)構(gòu)成導波光學系統(tǒng)構(gòu)成 導波光學系統(tǒng)一般由光源、耦合器、光波導導波光學系統(tǒng)一般由光源、耦合器、光波導器件、光調(diào)制器和光探測器等組成。與傳統(tǒng)的、器件、光調(diào)制器和光探測器等組成。與傳統(tǒng)的、非集成的離散光學元件系統(tǒng)相比，導波光學系統(tǒng)非集成的離散光學元件系統(tǒng)相比，導波光學系統(tǒng)具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊和性能穩(wěn)定等特具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊和性能穩(wěn)定等特點。點。 離散光學系統(tǒng)是將有一定幾何尺

14、寸的光學元器離散光學系統(tǒng)是將有一定幾何尺寸的光學元器件固定在大型的光學平臺或光具座上所構(gòu)成的光路件固定在大型的光學平臺或光具座上所構(gòu)成的光路系統(tǒng)。系統(tǒng)的大小約是幾平方米的數(shù)量級，光束的系統(tǒng)。系統(tǒng)的大小約是幾平方米的數(shù)量級，光束的粗細約為粗細約為5-10mm的范圍。光束一般通過空氣在各的范圍。光束一般通過空氣在各個光學元器件之間進行傳輸。由于受到介質(zhì)對光的個光學元器件之間進行傳輸。由于受到介質(zhì)對光的吸收、色散和散射等因素的影響，系統(tǒng)光能損耗較吸收、色散和散射等因素的影響，系統(tǒng)光能損耗較大，組裝、調(diào)整也比較困難。大，組裝、調(diào)整也比較困難。 第第1章章 光導波原理與器件概論光導波原理與器件概論長春理

15、工大學長春理工大學 導波光學系統(tǒng)是在同一塊襯底上盡量制作多個微導波光學系統(tǒng)是在同一塊襯底上盡量制作多個微型的光學元器件，因而不存在離散光學器件所具有的型的光學元器件，因而不存在離散光學器件所具有的組裝問題，不僅可以保持光學元器件相對位置不變，組裝問題，不僅可以保持光學元器件相對位置不變，而且對振動和溫度等環(huán)境因素的適應性也比較強。另而且對振動和溫度等環(huán)境因素的適應性也比較強。另外，由于各個光學元件用襯底內(nèi)部或表面上形成的光外，由于各個光學元件用襯底內(nèi)部或表面上形成的光波導連接起來，因此，光波容易控制和保持其能量。波導連接起來，因此，光波容易控制和保持其能量。第第1章章 光導波原理與器件概論光導

16、波原理與器件概論長春理工大學長春理工大學1.2.2 導波光學系統(tǒng)優(yōu)點導波光學系統(tǒng)優(yōu)點 首先，集成光路與光纖一樣，信號的載體是光波，首先，集成光路與光纖一樣，信號的載體是光波，光波的頻率比電子手段產(chǎn)生的電磁振蕩高得多，因光波的頻率比電子手段產(chǎn)生的電磁振蕩高得多，因而可能加載頻帶寬極寬的信號，而且避免了電路的而可能加載頻帶寬極寬的信號，而且避免了電路的導線固有的電容和電感導致的頻率限制效應。這樣，導線固有的電容和電感導致的頻率限制效應。這樣，集成光路的光信號的傳輸帶寬及與此相應的傳輸信集成光路的光信號的傳輸帶寬及與此相應的傳輸信息量，比電子電路系統(tǒng)的電信號的傳輸帶寬和信息息量，比電子電路系統(tǒng)的電信

17、號的傳輸帶寬和信息量超過若干數(shù)量級。量超過若干數(shù)量級。導波光學系統(tǒng)具有體積小、性能穩(wěn)定可靠、效率導波光學系統(tǒng)具有體積小、性能穩(wěn)定可靠、效率高、功耗低、使用方便等優(yōu)點。高、功耗低、使用方便等優(yōu)點。第第1章章 光導波原理與器件概論光導波原理與器件概論長春理工大學長春理工大學其次，雖然電子計算機已經(jīng)進入大規(guī)模和超大規(guī)其次，雖然電子計算機已經(jīng)進入大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的時代，但其運算速率始終受限于固模集成電路的時代，但其運算速率始終受限于固體電子器件中電子運動的速度，而光子計算機以體電子器件中電子運動的速度，而光子計算機以光速運動的光子為工作的基礎，其理論計算速率光速運動的光子為工作的基礎，其理論計

18、算速率可高達可高達10101011次次/秒，它比目前計算速率最快的秒，它比目前計算速率最快的電子計算機高電子計算機高1001000倍。倍。第第1章章 光導波原理與器件概論光導波原理與器件概論長春理工大學長春理工大學第三，空間上多道陣列、多頻段以致三維立體的光第三，空間上多道陣列、多頻段以致三維立體的光學存儲及處理的特點，使光存儲和處理的容量可達學存儲及處理的特點，使光存儲和處理的容量可達到到1018kbit的的“海量信息海量信息”。如果用集成光路來實。如果用集成光路來實現(xiàn)光信號的邏輯運算、傳送和處理，則可制成體積現(xiàn)光信號的邏輯運算、傳送和處理，則可制成體積小、速度快、容量大的小、速度快、容量大

19、的“全光計算機全光計算機”。光子計算。光子計算機與電子計算機相比有著并行處理、信號互不干擾、機與電子計算機相比有著并行處理、信號互不干擾、開關速度快、光速傳遞、寬帶以及信息容量極大的開關速度快、光速傳遞、寬帶以及信息容量極大的優(yōu)點。優(yōu)點。 第第1章章 光導波原理與器件概論光導波原理與器件概論長春理工大學長春理工大學總的來說，用集成光路代替集成電路的優(yōu)點包括總的來說，用集成光路代替集成電路的優(yōu)點包括帶寬增加，波分復用，多路開關，耦合損耗小，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，可靠性高尺寸小，重量輕，功耗小，成批制備，可靠性高等。由于光和物質(zhì)的多種相互作用，

20、還可以在集等。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、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，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。實現(xiàn)新型的器件功能。 第第1章章 光導波原理與器件概論光導波原理與器件概論長春理工大學長春理工大學1.3.1 光波導寬帶光調(diào)制器光波導寬帶光調(diào)制器 1.3.2 光波導開關光波導開關 1.3 光波導器件的進展光波導器件的進展 1.3.4 高密度信息讀取器高密度信息讀取器1.3.3 光波導頻譜分析器光波導頻譜分析器 第第1章章 光導波原理與器件概論光導波

21、原理與器件概論長春理工大學長春理工大學至今已經(jīng)實用化了的制成品仍然比較少。本節(jié)將對集至今已經(jīng)實用化了的制成品仍然比較少。本節(jié)將對集成光路中成熟程度比較高的若干光波導器件進行介紹。成光路中成熟程度比較高的若干光波導器件進行介紹。 光波導器件可以分為無源器件和有源器件。集成光波導器件可以分為無源器件和有源器件。集成光路則是將這些分立器件有機地集成在同一塊襯底上光路則是將這些分立器件有機地集成在同一塊襯底上而構(gòu)成的。而構(gòu)成的。第第1章章 光導波原理與器件概論光導波原理與器件概論長春理工大學長春理工大學1.3.1 光波導寬帶光調(diào)制器光波導寬帶光調(diào)制器 在將來的相干光通信中，人們打算使用在將來的相干光通

22、信中，人們打算使用10GHz的頻帶或者更高的頻帶。為能夠制作出具有數(shù)千兆的頻帶或者更高的頻帶。為能夠制作出具有數(shù)千兆赫通帶寬度的光調(diào)制器，研究人員正進行著不懈的赫通帶寬度的光調(diào)制器，研究人員正進行著不懈的努力。已經(jīng)有大量的行波型光調(diào)制器的報道，它們努力。已經(jīng)有大量的行波型光調(diào)制器的報道，它們屬于馬赫澤德干涉儀型的。其調(diào)制帶寬取決于波屬于馬赫澤德干涉儀型的。其調(diào)制帶寬取決于波導光與微波的速度匹配程度。圖導光與微波的速度匹配程度。圖1.2就是一個已經(jīng)達就是一個已經(jīng)達到了實用化水平的調(diào)制器的例子。到了實用化水平的調(diào)制器的例子。 第第1章章 光導波原理與器件概論光導波原理與器件概論長春理工大學長春理工

23、大學第第1章章 光導波原理與器件概論光導波原理與器件概論長春理工大學長春理工大學其插入損耗為其插入損耗為2dB，驅(qū)動電壓為，驅(qū)動電壓為5V，具有，具有7GHz的調(diào)的調(diào)制帶寬。用這種調(diào)制器進行了制帶寬。用這種調(diào)制器進行了4Gbit/s的傳輸實驗，的傳輸實驗，傳輸距離達到傳輸距離達到l32km。為了實現(xiàn)更寬帶域的速度匹配，。為了實現(xiàn)更寬帶域的速度匹配，使用圖使用圖1.2b)所示的屏蔽電極，得到了所示的屏蔽電極，得到了40GHz的帶寬的帶寬特性。特性。 另外，也有諧振型光調(diào)制器的報道，它采用約另外，也有諧振型光調(diào)制器的報道，它采用約100mW的調(diào)制輸入電功率，得到了的調(diào)制輸入電功率，得到了33-40

24、GHz帶寬的帶寬的超高速調(diào)制。超高速調(diào)制。 第第1章章 光導波原理與器件概論光導波原理與器件概論長春理工大學長春理工大學1.3.2 光波導開關光波導開關 將多個將多個LiNbO3波導開關集成在同一塊襯底上，波導開關集成在同一塊襯底上，可以構(gòu)成具有多個輸入端和輸出端的可以構(gòu)成具有多個輸入端和輸出端的NN或者或者lN光學開關網(wǎng)絡。其主要的應用目標是制作成光學開關網(wǎng)絡。其主要的應用目標是制作成未來的光纖通信系統(tǒng)中的光交換機以及時段分割未來的光纖通信系統(tǒng)中的光交換機以及時段分割通信系統(tǒng)中的發(fā)射信息與接收信息的器件。通信系統(tǒng)中的發(fā)射信息與接收信息的器件。 第第1章章 光導波原理與器件概論光導波原理與器件

25、概論長春理工大學長春理工大學 1、分支型開關陣列、分支型開關陣列。在器件長度比較短、適合于在器件長度比較短、適合于集成化的器件中大都采用集成化的器件中大都采用LiNbO3分支開關。當波分支開關。當波導寬導寬4m時，電極長度為時，電極長度為0.8mm，即使做成如圖，即使做成如圖1.3所示的所示的14光學開關陣列，開關工作部分的長光學開關陣列，開關工作部分的長度也僅僅只有度也僅僅只有3mm。第第1章章 光導波原理與器件概論光導波原理與器件概論長春理工大學長春理工大學2、方向耦合器型開關陣列。、方向耦合器型開關陣列。 通常方向耦合器器件通常方向耦合器器件長度約為長度約為5mm，即使不要求比較嚴格的制

26、作精度，即使不要求比較嚴格的制作精度，也可以在比較低的電壓下獲得比較高的消光比，因也可以在比較低的電壓下獲得比較高的消光比，因而首先用于制作集成化光學開關陣列。圖而首先用于制作集成化光學開關陣列。圖1.4所示是所示是以以Z切割切割LiNbO3為襯底，制作出的用于為襯底，制作出的用于1.3m波長波長的的4X4光學開關陣列。光學開關陣列。第第1章章 光導波原理與器件概論光導波原理與器件概論長春理工大學長春理工大學 在現(xiàn)在的光纖系統(tǒng)中，使用的幾乎都是不具有偏振在現(xiàn)在的光纖系統(tǒng)中，使用的幾乎都是不具有偏振波面保存特性的單模光纖，因此出現(xiàn)了會受到偏振波面保存特性的單模光纖，因此出現(xiàn)了會受到偏振光影響的光

27、學器件難于原封不動地集成進集成光路光影響的光學器件難于原封不動地集成進集成光路的難題。圖的難題。圖1.5所示是解決了上述難題而不受偏振光所示是解決了上述難題而不受偏振光影響的影響的88光學開關陣列例子。光學開關陣列例子。第第1章章 光導波原理與器件概論光導波原理與器件概論長春理工大學長春理工大學1.3.3光波導頻譜分析器光波導頻譜分析器 集成光路集成光路RF頻譜分析器是將波導型布拉格器件與頻譜分析器是將波導型布拉格器件與波導透鏡組合起來，對射頻波導透鏡組合起來，對射頻(RF)信號進行實時頻譜分信號進行實時頻譜分析的器件，如圖析的器件，如圖1.6所示。所示。第第1章章 光導波原理與器件概論光導波

28、原理與器件概論長春理工大學長春理工大學1、混合型。作為寬帶域、混合型。作為寬帶域IOSA的波導材料，最合適的波導材料，最合適的是具有優(yōu)秀的高頻聲表面波濾波器的是具有優(yōu)秀的高頻聲表面波濾波器(SAW)特性的特性的LiNbO3，這時候需要將其制作成外貼光源與光檢測，這時候需要將其制作成外貼光源與光檢測器的混合型集成光路。從理論上講，這種混合集成器的混合型集成光路。從理論上講，這種混合集成光路可以做到光路可以做到1GHz的帶寬，的帶寬，1MHz的分辨率，響應的分辨率，響應速度為速度為lus。這些利用電先效應的這些利用電先效應的IOSA的缺點是，需要有能夠的缺點是，需要有能夠把時序信號變換為并行信號的

29、電子電路；但是它的把時序信號變換為并行信號的電子電路；但是它的優(yōu)點是具有超高速響應的可能性。優(yōu)點是具有超高速響應的可能性。第第1章章 光導波原理與器件概論光導波原理與器件概論長春理工大學長春理工大學2、準單片型。、準單片型。IOSA所需要的光檢測器與其它的所需要的光檢測器與其它的光學器件有可能實現(xiàn)準單片集成化。作為這種準光學器件有可能實現(xiàn)準單片集成化。作為這種準單片型單片型IOSA的襯底，選用的襯底，選用Si比較合適。雖然含有比較合適。雖然含有主檢測器的單片集成化的主檢測器的單片集成化的IOSA至今尚未制作出來，至今尚未制作出來，但是采用衍射型透鏡，制作出了將檢測器以外的但是采用衍射型透鏡，制

30、作出了將檢測器以外的器件全都集成在一起了的典型器件，而且它的正器件全都集成在一起了的典型器件，而且它的正常運作也得到了確認。在常運作也得到了確認。在IOSA之中，迄今為止在之中，迄今為止在應用方面還沒有實現(xiàn)盡善盡美的性能，在分辨率應用方面還沒有實現(xiàn)盡善盡美的性能，在分辨率的改善、通帶寬度最大值的探討以及全集成化等的改善、通帶寬度最大值的探討以及全集成化等方面，為今后留下了不少的研究課題。方面，為今后留下了不少的研究課題。第第1章章 光導波原理與器件概論光導波原理與器件概論長春理工大學長春理工大學頻譜分析雖然用電子電路也可以完成，但是當采用頻譜分析雖然用電子電路也可以完成，但是當采用光學器件來完

31、成時，因其具有并行處理功能，而使光學器件來完成時，因其具有并行處理功能，而使得測量的高速化和實時處理成為可能，而且通過將得測量的高速化和實時處理成為可能，而且通過將其制作成集成光路還可以使它在結(jié)構(gòu)上更加小型化其制作成集成光路還可以使它在結(jié)構(gòu)上更加小型化。 現(xiàn)在的研究開發(fā)主要著眼于雷達信號的處理，將來現(xiàn)在的研究開發(fā)主要著眼于雷達信號的處理，將來有可能將其應用于電波望遠鏡、各種激光探測有可能將其應用于電波望遠鏡、各種激光探測、遙、遙感以及通信等廣泛的信息處理領域。特別是在衛(wèi)星感以及通信等廣泛的信息處理領域。特別是在衛(wèi)星搭載中，為了滿足體積小、重量輕的需求，它將成搭載中，為了滿足體積小、重量輕的需求

32、，它將成為一種重要的器件。為一種重要的器件。第第1章章 光導波原理與器件概論光導波原理與器件概論長春理工大學長春理工大學1.3.4 高密度信息讀取器高密度信息讀取器 現(xiàn)在讀取光盤等高密度的光信息，使用的是高現(xiàn)在讀取光盤等高密度的光信息，使用的是高密度信息讀取器，又稱光盤拾波器。最終目的是為密度信息讀取器，又稱光盤拾波器。最終目的是為了減小體積、減輕重量、提高性能和改善工藝，制了減小體積、減輕重量、提高性能和改善工藝，制成讀取器件的集成光路化。到目前為止，雖然其性成讀取器件的集成光路化。到目前為止，雖然其性能還沒有哪一種能夠達到實用化的程度，但是，由能還沒有哪一種能夠達到實用化的程度，但是，由于

33、作為民用設備，存在著極大的潛在市場，人們普于作為民用設備，存在著極大的潛在市場，人們普遍把它看作是集成光路的重要應用領域而進行著積遍把它看作是集成光路的重要應用領域而進行著積極的開發(fā)和研究。極的開發(fā)和研究。 第第1章章 光導波原理與器件概論光導波原理與器件概論長春理工大學長春理工大學圖圖1.7中繪出了光集成光盤拾波器的結(jié)構(gòu)。中繪出了光集成光盤拾波器的結(jié)構(gòu)。IODPU是是將讀出專用拾波器的光學系統(tǒng)全部集成化的器件，將讀出專用拾波器的光學系統(tǒng)全部集成化的器件，具有輸出對應于光盤反射的讀出信號以及聚焦與跟具有輸出對應于光盤反射的讀出信號以及聚焦與跟蹤伺服用的誤差信號的功能。蹤伺服用的誤差信號的功能。

34、第第1章章 光導波原理與器件概論光導波原理與器件概論長春理工大學長春理工大學在該器件的結(jié)構(gòu)中，集成了以在該器件的結(jié)構(gòu)中，集成了以SiO2/Si為襯底和玻為襯底和玻璃薄膜波導為基礎的聚光光柵耦合器璃薄膜波導為基礎的聚光光柵耦合器(FGC)、光柵、光柵光束分離器光束分離器(TGFBS)和光電二極管和光電二極管(PD)。 第第1章章 光導波原理與器件概論光導波原理與器件概論長春理工大學長春理工大學1、讀出信號檢測。由半導體激光器、讀出信號檢測。由半導體激光器(LD)發(fā)射光是發(fā)發(fā)射光是發(fā)散的波導光，被聚焦光柵耦合器散的波導光，被聚焦光柵耦合器(FGC)聚焦到光盤上，聚焦到光盤上，而由光盤反射回來的光再

35、次經(jīng)由同一個而由光盤反射回來的光再次經(jīng)由同一個FGC被耦合被耦合進波導之中。進波導之中。TGFBS是衍射效率為是衍射效率為50%的布拉格光的布拉格光柵，它將反射回來的光波面一分為二，并且因為偏轉(zhuǎn)柵，它將反射回來的光波面一分為二，并且因為偏轉(zhuǎn)而偏離光軸，在比較弱的透鏡作用下，被聚焦于兩個而偏離光軸，在比較弱的透鏡作用下，被聚焦于兩個檢測點。通過使用這種具有復合功能的光柵器件，達檢測點。通過使用這種具有復合功能的光柵器件，達到了簡化器件結(jié)構(gòu)的目的。在兩個檢測點的兩側(cè)各有到了簡化器件結(jié)構(gòu)的目的。在兩個檢測點的兩側(cè)各有兩個光電二極管兩個光電二極管(PD)，也就是說共有四個，也就是說共有四個PD被設置被

36、設置在在Si襯底的表面，為了將波導光高效率地耦合進襯底的表面，為了將波導光高效率地耦合進PD，把襯底與波導層之間的緩沖層制作成錐形，形成一種把襯底與波導層之間的緩沖層制作成錐形，形成一種波導層逐漸靠近波導層逐漸靠近Si表面的結(jié)構(gòu)。讀出的信號為四個表面的結(jié)構(gòu)。讀出的信號為四個PD所所得到的光電流的總和。得到的光電流的總和。第第1章章 光導波原理與器件概論光導波原理與器件概論長春理工大學長春理工大學2、聚焦誤差檢測。如果光盤出現(xiàn)往遠處的擾動，返、聚焦誤差檢測。如果光盤出現(xiàn)往遠處的擾動，返回的光就會聚焦于檢測點的前方，使得位于內(nèi)側(cè)的回的光就會聚焦于檢測點的前方，使得位于內(nèi)側(cè)的PD中產(chǎn)生比較大的光電流

37、；如果光盤出現(xiàn)往近處的中產(chǎn)生比較大的光電流；如果光盤出現(xiàn)往近處的擾動，返回的光就會聚焦于檢測點的后方，使得位擾動，返回的光就會聚焦于檢測點的后方，使得位于外側(cè)的于外側(cè)的PD中產(chǎn)生比較大的光電流。根據(jù)內(nèi)外側(cè)中產(chǎn)生比較大的光電流。根據(jù)內(nèi)外側(cè)PD中光電流的差值，就可以得出誤差信號。中光電流的差值，就可以得出誤差信號。 第第1章章 光導波原理與器件概論光導波原理與器件概論長春理工大學長春理工大學3、跟蹤誤差檢測。在沒有誤差的情況下，在關、跟蹤誤差檢測。在沒有誤差的情況下，在關于于LD-FGC線呈對稱關系的線呈對稱關系的PD中會有等量的光電中會有等量的光電流；在產(chǎn)生誤差的情況下，光的對稱性將會被破流；在

38、產(chǎn)生誤差的情況下，光的對稱性將會被破壞，而在對稱的壞，而在對稱的PD中的電流就會出現(xiàn)差值，從中的電流就會出現(xiàn)差值，從而得到誤差信號。將而得到誤差信號。將IODPU搭載在傳動裝置上，搭載在傳動裝置上，通過利用誤差信號對傳動裝置的閉環(huán)驅(qū)動，從而通過利用誤差信號對傳動裝置的閉環(huán)驅(qū)動，從而可以實現(xiàn)聚焦和跟蹤?？梢詫崿F(xiàn)聚焦和跟蹤。第第1章章 光導波原理與器件概論光導波原理與器件概論長春理工大學長春理工大學1.4 光波導技術發(fā)展前景和趨勢光波導技術發(fā)展前景和趨勢 1.4.1 光波導技術的研究熱點光波導技術的研究熱點 1.4.2 光波導技術的發(fā)展趨勢光波導技術的發(fā)展趨勢 第第1章章 光導波原理與器件概論光導

39、波原理與器件概論長春理工大學長春理工大學 對于光波導的研究，多年來以美國、日本和歐洲對于光波導的研究，多年來以美國、日本和歐洲為中心，在世界各地持續(xù)高漲。在近三十年里，薄膜為中心，在世界各地持續(xù)高漲。在近三十年里，薄膜制作技術研究精細加工技術都有了長足進步，并以這制作技術研究精細加工技術都有了長足進步，并以這些技術為支柱，確立了各種材料制作光波導的方法，些技術為支柱，確立了各種材料制作光波導的方法，無源器件和有源器件制作中出現(xiàn)的問題也相繼得到解無源器件和有源器件制作中出現(xiàn)的問題也相繼得到解決。目前所制作的光波導元器件的特性已經(jīng)接近或達決。目前所制作的光波導元器件的特性已經(jīng)接近或達到設計指標。但

40、是，要想把多個分離的光波導元器件到設計指標。但是，要想把多個分離的光波導元器件集成在同一個襯底上形成集成光路還有許多問題要研集成在同一個襯底上形成集成光路還有許多問題要研究。究。 第第1章章 光導波原理與器件概論光導波原理與器件概論長春理工大學長春理工大學1.4.1光波導技術的研究熱點光波導技術的研究熱點 當前，光波導技術的研究熱點主要集中在如下幾當前，光波導技術的研究熱點主要集中在如下幾個方面?zhèn)€方面 ：1、降低光波導傳輸損耗。光波導傳輸損耗的大小、降低光波導傳輸損耗。光波導傳輸損耗的大小直接影響到光波導技術在光電探測、光纖通信以及直接影響到光波導技術在光電探測、光纖通信以及光信息處理等領域的

41、推廣和應用。光波導的傳輸損光信息處理等領域的推廣和應用。光波導的傳輸損耗主要來自材料本身對光的吸收和散射。在平面波耗主要來自材料本身對光的吸收和散射。在平面波導的情況下，波導層和襯底層以及波導層和覆蓋層導的情況下，波導層和襯底層以及波導層和覆蓋層處的散射，在條形波導中，還會增加側(cè)面不光滑引處的散射，在條形波導中，還會增加側(cè)面不光滑引起的散射等。散射帶來的背景噪聲會使信噪比降低起的散射等。散射帶來的背景噪聲會使信噪比降低，降低光波導傳輸損耗是導波光學首先要解決的問，降低光波導傳輸損耗是導波光學首先要解決的問題。題。第第1章章 光導波原理與器件概論光導波原理與器件概論長春理工大學長春理工大學2、提

42、高集成度。導波光學最終要實現(xiàn)目的是光路、提高集成度。導波光學最終要實現(xiàn)目的是光路器件的小型化和集成化，并制成大規(guī)模集成光路，器件的小型化和集成化，并制成大規(guī)模集成光路，從而提高光路的穩(wěn)定性和可靠性。對光路器件的尺從而提高光路的穩(wěn)定性和可靠性。對光路器件的尺寸要求通常為微米量級，隨著納米技術的發(fā)展，人寸要求通常為微米量級，隨著納米技術的發(fā)展，人們希望制作出尺寸更小的光波導器件，這樣可以提們希望制作出尺寸更小的光波導器件，這樣可以提高集成度，使器件的性能得到提升。要制作高質(zhì)量高集成度，使器件的性能得到提升。要制作高質(zhì)量的狹長結(jié)構(gòu)的波導，還需要研究與此相適應的制作的狹長結(jié)構(gòu)的波導，還需要研究與此相適應的制作技術。技術。第第1章章 光導波原理與器件概論光導波原理與器件概論長春理工大學長春理工大學3、提高調(diào)制器的消光比。在光通信、光計算以及、提高調(diào)制器的消光比。在光通信、光計算以及集成光路系統(tǒng)當中，經(jīng)常要對光信號進行調(diào)制，集成光路系統(tǒng)當中，經(jīng)常要對光信號進行調(diào)制，調(diào)制器的消光比通常是指在通和斷兩種狀態(tài)時輸調(diào)制器的消光比通常是指在通和斷兩種狀態(tài)時輸出光的強度比的對數(shù)值，目前，消光