光波導理論優(yōu)選ppt資料

光波導(bōdǎo)理論第一頁，共43頁。教學(jiāoxué)目的通過本課程的學習，要求學生：了解集成光學的基本概念，熟練掌握光波在平板介質波導中的傳輸特性掌握集成光波導器件(qìjiàn)的制備材料、典型結構、工作原理及基本制備工藝過程，掌握光波導器件(qìjiàn)的參數測試技術，了解光波導技術的應用及發(fā)展現狀。第二頁，共43頁。教學內容第一章：集成(jíchénɡ)光學概論第二章：導波光學理論第一節(jié)平板光波導的射線光學分析（4學時）第二節(jié)平板光波導的波動方程分析（4學時）第三節(jié)條形光波導的波動方程分析（4學時）第四節(jié)耦合模理論（4學時）第三章：光波導器件與集成(jíchénɡ)技術（22學時）第一節(jié)集成(jíchénɡ)光學材料（2學時）第二節(jié)光波導的主要制作和集成(jíchénɡ)技術（8學時）第三節(jié)：光波導的損耗（1學時）第四節(jié)：光波導參數測試(1學時)第五節(jié)集成(jíchénɡ)光波導器件(8學時)第六節(jié)：集成(jíchénɡ)光學的應用及發(fā)展趨勢(2學時)第三頁，共43頁?？己朔绞脚c成績評定考核方式：閉卷筆試成績評定：平時考核成績（出勤，實踐表現及作業(yè)）占20%，期末考試成績占80%。教材及主要參考書目教材：光波導理論與技術，李玉權崔敏，人民郵電出版社，2002參考書：《IntegratedOptics:TheoryandTechnology》，sixthEdition,R.G.Hunsperger,SpringerVerlag,介質光波導及其應用,秦秉坤等, 北京理工大學出版社，1991光波導技術理論基礎,葉培大等,北京郵電大學出版社,2002《OpticalIntegratedCircuits》，HiroshiNishihara,MasamitsuHaruna,ToshiakiSuhara，McGraw-HillProfessional,1989集成光學，蔡伯榮主編電子科技大學出版社出版，1998徐國昌,《光電子物理(wùlǐ)基礎》[M].東南大學出版社:2000.光波導模式理論，馬春生、劉式墉，吉林大學出版社，2006第四頁，共43頁。－導波光學（～20學時(xuéshí)）

汪平河

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光波導理論緒論(xùlùn)年2月第五頁，共43頁。集成光學(guāngxué)概論1.1集成光學的概念1.2集成光學的特點1.3集成光學的發(fā)展(fāzhǎn)和現狀1.4研究集成光學的意義第六頁，共43頁。§1.1集成(jíchénɡ)光學的概念1.集成電路(jíchéng-diànlù)(integratedcircuit,IC)1957年，得克薩斯儀器公司的基爾畢(Kirby)發(fā)明(fāmíng)集成電路2006年，被集成的晶體管個數達到兩億個；今年，英特爾集成了23億個晶體管（目前最高水平）?！凹伞背蔀榱艘环N潛力難以估量的科學技術手段。1947年，貝爾研究所的肖克利（Shockley）、巴?。˙ardeen）、布拉頓（Brattain）發(fā)明晶體管第七頁，共43頁。HisideafoundedanewindustryHasNobelpriceinphysicsyear2000Thefirstintegratedcircuit第八頁，共43頁。2.集成(jíchénɡ)光學概念的提出集成光學的概念是1969年貝爾實驗室的Miller博士提出的(IntegratedOptics:AnIntroduction,BellSystemTechnicalJournal,1969,48:2059~2061)集成光學發(fā)展(fāzhǎn)初期，華裔科學家田柄耕假借集成電路的概念，對集成光學歸納了三條定義：（1）光束能限制在光波導中傳播；（2）利用光波導可以制成各種光波導器件；（3）將光波導和光波導器件集成起來可構成有特定功能的集成光路目前，“集成光學”的概念涵蓋廣泛的內容。第九頁，共43頁。按集成的方式劃分：個數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）按集成的技術途徑劃分：單片集成和混合(hùnhé)集成按研究內容劃分：導波光學和集成光路第十頁，共43頁。(1)集成光學(guāngxué)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(guāngxué)器件和混合光學(guāngxué)－電子學器件系統(tǒng)的一門新的學科。(2)集成光學(guāngxué)是研究介質薄膜中的光學(guāngxué)現象，以及光學(guāngxué)元器件集成化的一門學科。(3)集成光學(guāngxué)是研究集成光路特性和制造技術以及與微電子學相結合的學科。第十一頁，共43頁。4.從四個方面(fāngmiàn)理解集成光學的概念：(a)理論基礎：光學和光電子學(b)工藝基礎：薄膜技術、微電子工藝(c)主要目的：實現光學系統(tǒng)的薄膜化、微型化和集成化(d)主要應用：光纖通信、光子計算機、光纖傳感、光學信息處理等第十二頁，共43頁。耦合損耗小，尺寸小，重量輕，功耗小，成批制備經濟性好，可靠性高等。3集成光學(guāngxué)國際研究進展1972年由光學協(xié)會(OpticalSocietyofAmerica)主辦召開了集成光學主題(zhǔtí)會議（TopicalMeetingonIntegratedOptics），這是關于集成光學研究的第一次會議，具有深遠的意義；降低成本（制造、應用、維護、升級）－導波光學（～20學時(xuéshí)）

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光電學院416房間83205564(1)光波在光波導中傳播，光波容易控制和保持其能量(néngliàng)。(1)集成光學已從實驗室走向生產階段，從初期的純波導理論(lǐlùn)研究進入集成光學器件和集成光路的設計、制作研究階段。幾乎沒有問題，通常進行抽驗經過40年的發(fā)展，集成光學不再是當初把幾個光學器件集成在一起的簡單概念，而是一個集光學、激光、微電子學、光電子學、通信、薄膜技術等為一體(yītǐ)的獨立的交叉學科，是當今光學和光電子學領域的發(fā)展前沿之一，是光學發(fā)展的必由之路和高級階段。了解光波導技術的應用及發(fā)展現狀。中國科學院長春光學精密機械與物理研究所973計劃支持的光電子研究(yánjiū)項目（二）—年項目從1986年至今，國家自然科學委員會給光電子研究給予了大力支持，所資助的項目大約200多項，其中包括有源和無源器件及其集成相關的理論、方法、材料研究、器件與制作工藝研究及集成光學系統(tǒng)研究等。第三章：光波導器件與集成(jíchénɡ)技術（22學時）了解集成光學的基本概念，中芯國際集成電路制造(上海)有限公司集成光學(guāngxué)主要應用（一）——光纖通信光集成器件是實現高速率大容量光通信網絡的關鍵硬件和必由之路，包括高速響應集成激光源、波導光柵(guāngshān)陣列密集波分復用器、窄帶響應集成光電探測器、路由選擇的波長變換器、快速響應光開關矩陣、低損耗多址波導分束器等。第十三頁，共43頁。集成光學主要(zhǔyào)應用（二）——光子計算機光子計算機：光子計算機是一種全新的計算機，是以光子作為主要的信息載體，以光子系統(tǒng)作為計算機的主體，以光運算作為計算機運算方式的計算機。光子計算機的優(yōu)點：(a)具有超高的運算速度——串行電子計算機的極限速度是1010次/秒，而光子計算機的理論計算速度達1023次/秒，在技術上可實現1012~1015次/秒的計算速度(b)具有超并行性工作的能力(nénglì)(c)具有極高的信息存儲能力(nénglì)——比電子計算機高106~109倍。第十四頁，共43頁。集成(jíchénɡ)光學主要應用（三）——光纖傳感光纖傳感器具有抗電磁干擾和原子輻射、重量輕、體積小、絕緣、耐高溫、耐腐蝕等眾多優(yōu)異的性能，能夠對應變、壓力、溫度、振動、聲場、折射率、加速度、電壓、氣體等各種參數進行精確測量，能夠適應極端惡劣的環(huán)境。同時，由于光纖傳輸損耗低、頻帶(píndài)寬，使得光纖傳感器在組網和傳輸距離方面，與傳統(tǒng)的傳感器相比具有無可比擬的優(yōu)勢。第十五頁，共43頁。經過40年的發(fā)展，集成光學不再是當初把幾個光學器件集成在一起的簡單概念，而是一個集光學、激光、微電子學、光電子學、通信、薄膜技術等為一體(yītǐ)的獨立的交叉學科，是當今光學和光電子學領域的發(fā)展前沿之一，是光學發(fā)展的必由之路和高級階段。第十六頁，共43頁。§1.2集成(jíchénɡ)光學的特點第十七頁，共43頁。1.2.1集成光學系統(tǒng)與離散光學器件(qìjiàn)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(néngliàng)。(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。沿波導傳輸的光被限制在狹小的局部空間，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。第十八頁，共43頁。1.2.2集成光路與集成電路(jíchéng-diànlù)的比較用集成光路代替集成電路的優(yōu)點包括帶寬增加(zēngjiā)，波分復用，多路開關。耦合損耗小，尺寸小，重量輕，功耗小，成批制備經濟性好，可靠性高等。由于光和物質的多種相互作用，還可以在集成光路的構成中，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，實現新型的器件功能。把激光器、調制器、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(wúyuán)器件連接起來構成的微型光學系統(tǒng)稱為集成光路，以實現光學系統(tǒng)的薄膜化、微型化和集成化。第十九頁，共43頁。1光波導具有非常寬的帶寬2光子器件中光子運動速度比電子器件中電子高得多，而且沒有導線電容和電感對頻率的限制3在同一光路上可以傳輸和處理多個或多頻率的信號，即實現“波分多路復用”4在空間上可以實現一維或二維以致三維立體的多路陣列傳輸及存儲、處理5較小的尺寸、重量，較低功耗6成批制造的前景和經濟性7改善可靠性8改善光學連接及對準的穩(wěn)定性和可靠性，避免由于震動帶來的系統(tǒng)不穩(wěn)定或失敗9降低成本（制造、應用、維護、升級）集成(jíchénɡ)光路的優(yōu)點第二十頁，共43頁。光元器件與電子(diànzǐ)元器件的特性比較特征項光元器件電子元器件(a)基本作用光波導中的光傳輸及光與電子/晶格的相互作用襯底表面附近的電子傳輸與控制(b)基本元器件光波導，半導體激光器等晶體管、電阻、電容(c)元器件尺寸（厚度方向）波長（微米）量級，個別達到納米量級數十納米至數微米(d)元器件尺寸（長度方向）微米至數毫米，個別達到納米級數十納米至數微米(e)與其他部件的連接稍難——需要精密的位置精度（μm），光波導容易-——電氣布線，導體(f)元器件可靠性有問題，通常需要檢測全部元器件幾乎沒有問題，通常進行抽驗(g)元器件制造工藝多樣，研究開發(fā)中基本平面工藝，已成熟第二十一頁，共43頁?！?.3集成光學的發(fā)展(fāzhǎn)和現狀1962年開發(fā)出了第一個半導體同質結激光二極管，但其效率較低，閾值電流較大，不能在室溫下連續(xù)(liánxù)工作。1967年異質結外延生長技術的出現，拉開(lākāi)了半導體激光器實用化的序幕。1969年，S.E.Miller提出“集成光學”概念1970年實現了激光二極管的室溫連續(xù)工作。此后，分布反饋式和分布布拉格反射器式激光器、量子阱和應變量子阱激光器、垂直腔面發(fā)射激光器、半導體激光器陣列等半導體激光器、半導體光放大器和集成光源不斷涌現，為集成光學長遠的發(fā)展奠定了基礎。1.3.1發(fā)展簡史第二十二頁，共43頁。1972年，Somekh和Yariv提出了在同一個半導體襯底上同時集成(jíchénɡ)光器件和電子器件的構想。1987年，Yablonovitch和John大約同時提出(tíchū)了光子晶體（photoniccrystal,PC）的概念。2003年，科學家開發(fā)出制備納米線的新方法(fāngfǎ)。納米線提供了尺度遠遠小于光波長的導光結構，它與有關納米尺度的微腔和激光器的技術配合，可望用于制作各種納米光集成器件。目前，集成光學主要是研究和開發(fā)光通信、光學信息處理、光子計算機和光傳感等所需要的多功能、穩(wěn)定、可靠的光集成體系和混合光電集成體系等。1970年研制成功了低損耗光纖，目前光纖的傳輸損耗已經降低到了0.2dB/km以下。

第二十三頁，共43頁。第二十四頁，共43頁。(1)集成光學已從實驗室走向生產階段，從初期的純波導理論(lǐlùn)研究進入集成光學器件和集成光路的設計、制作研究階段。(2)已從單一的玻璃或鈮酸鋰材料發(fā)展到今天的多種材料，特別是硅基和聚合物基材料的開發(fā)為集成光學進入工程應用打下了基礎。(3)以III－V族半導體為襯底的集成光學達到迅猛發(fā)展。(4)目前集成光學已進入實質的工程應用，光通信和光信息處理是集成光學兩大類重要應用領域。第二十五頁，共43頁。第二十六頁，共43頁。1.3.3集成光學(guāngxué)國際研究進展主要集中在理論(lǐlùn)與器件兩個方面：1.理論研究熱點主要集中在以下(yǐxià)兩個方面：1）圍繞新型集成光學器件的結構設計、功能模擬與特性參數的計算等是目前集成光學理論研究的一個熱點。理論上對于集成器件的結構和性能模擬通常使用計算機輔助設計與數值計算的方法，如傳遞矩陣法（TMM）、光束傳播法（BPM）、時域有限差分法（FDTD）和有限元法（FEM）等都有效地用于集成光學器件的模擬與計算，并用于實現集成器件結構的優(yōu)化。設計方法有兩類：一是從基本原理入手，設計具有一定功能的光學器件；二是直接從功能角度出發(fā)，以提高器件性能，減少器件損耗，或者使器件性能具備特色等。第二十七頁，共43頁。對于集成光學器件特性參數的分析是理論研究的另一個熱點，研究其特性參數及其相互關系，分析其中相互作用，有利于深入剖析物理(wùlǐ)概念。2）基礎理論研究(yánjiū)主要集中在兩類：一是基于固體物理學的基本理論和方法，研究和探討制作微觀集成(jíchénɡ)光學器件的可能性；二是基于波動光學的理論和方法，從導波光學的角度來研究集成(jíchénɡ)光學器件。2.集成光學器件的研究進展1）目前大部分集成光學器件的研究仍集中在光通信領域：高速響應、低啁啾、單穩(wěn)頻集成激光器，可調諧激光器，多波長DFB激光器陣列，窄帶響應可調諧集成光子探測器，高速單片集成光接收器，AWG第二十八頁，共43頁。2）集成(jíchénɡ)光學傳感器3）其他集成光學器件：MEMS，混合集成光隔離器，聚合物光波導(bōdǎo)光束偏轉器等4）納米(nàmǐ)光子學第二十九頁，共43頁?！?.4研究集成(jíchénɡ)光學的意義人類進入一個高度信息化的社會，由Tb/s信息傳輸、Tb/s信息處理和Tbit信息存儲所構成的三“T”模式(móshì)將成為人類數字化生活最顯著的標志。信息光電子技術也是保障國防(guófáng)安全的核心技術之一。光電子技術在未來的信息社會中必將扮演重要的角色，將成為21世紀的基石和支柱之一。集成光學作為現代光電子學的一個重要分支，各國從事光電子、光信息系統(tǒng)研究的專家、學者都意識到了集成光學系統(tǒng)的重要性。第三十頁，共43頁。1972年由光學協(xié)會(OpticalSocietyofAmerica)主辦召開了集成光學主題(zhǔtí)會議（TopicalMeetingonIntegratedOptics），這是關于集成光學研究的第一次會議，具有深遠的意義；后改名為IntegratedandGuidedWaveOptics（IGWO）；1990年起又更名為IntegratedPhotonicsResearch（IPR），每年召開一次。第一屆集成光學(guāngxué)和光纖通信國際會議（IOOC）于1977年在東京召開，從此每隔一年召開一次。把OEC（OptoelectronicsConference，光電子學會議）作為(zuòwéi)國內的會議，從1986年起隔一年召開一次。第三十一頁，共43頁。歐洲每年還要召開歐洲集成(jíchénɡ)光學會議ECIO（EuropeanConferenceonIntegratedOptics）。我國，集成光學的研究是從1970年開始的，發(fā)展也十分迅速。1981年召開第一屆全國集成光學學術會議，此后，每隔一年召開一次。1986年，我國啟動的“863”計劃中，將光電子器件及其集成技術(jìshù)選為信息領域的三大主題之一。從1986年至今，國家自然科學委員會給光電子研究給予了大力支持，所資助的項目大約200多項，其中包括有源和無源器件及其集成相關的理論、方法、材料研究、器件與制作工藝研究及集成光學系統(tǒng)研究等。第三十二頁，共43頁。973計劃支持(zhīchí)的光電子研究項目（一）——1998~2007年第三十三頁，共43頁。973計劃支持的