集成光學第五章5-1-09

第五章集成光無源器件光無源器件是光纖通信系統(tǒng)的重要組成部分，它和光有源器件的區(qū)別在于其實現(xiàn)本身功能時是否發(fā)生光電能量的轉(zhuǎn)換。若出現(xiàn)光電能量的轉(zhuǎn)換，則稱其為有源光器件，如激光器、光監(jiān)測器、光放大器等。若未出現(xiàn)光電能量的轉(zhuǎn)換，即使也需要一些電信號的介入，則稱為無源光器件。第五章集成光無源器件分類：按功能分類：光耦合器、光開關(guān)、分波與合波器、透鏡、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?！?.1基本元件§5.2電光集成器件§5.3聲光集成器件§5.4熱光開關(guān)和調(diào)制器第五章集成光無源器件§5.1基本元件5.1.1定向耦合器及分支波導5.1.2透鏡5.1.3偏振器與模分離器5.1.1定向耦合器及分支波導1.定向耦合器基本構(gòu)成：由兩個鄰近的波導組成理論基礎(chǔ)：定向耦合器的基本理論是耦合模理論。產(chǎn)生100%功率轉(zhuǎn)移的耦合長度L取決于耦合系數(shù)和兩個模式之間的傳播常數(shù)之差。在相位匹配條件下，L=π/2K。5.1.1定向耦合器及分支波導用途：構(gòu)成分束器、光開關(guān)或光調(diào)制器，以及構(gòu)成波長濾波器或TE/TM偏振模轉(zhuǎn)換器。當l=π/4K時，在輸出端就會實現(xiàn)功率平均分配，這時定向耦合器稱為3-dB耦合器。2.分支波導分類：對稱性二分支波導和非對稱性二分支波導；5.1.1定向耦合器及分支波導錐形角和分支臂夾角夾角很小，一般為零點幾至零點零幾度。

結(jié)構(gòu)特點：分支點的前置部位都要設(shè)置一段錐形波導5.1.2

透鏡透鏡具有成像和傅里葉變換兩種功能。波導型透鏡（waveguidelens）是對傳輸于二維波導內(nèi)的波導光發(fā)揮這些透鏡功能的器件，特別是在構(gòu)成用于信號處理的集成光路時，它是一種極其重要的器件。波導型透鏡以焦距f，孔徑D以及二者之間的比值f/D為特征1.模折射率透鏡5.1.2

透鏡在波導層厚度增加和加載覆蓋層的情況下，有效折射率通常增大，進行雜質(zhì)擴散通常也導致有效折射率增大。

在均勻的平板波導中，制作出有透鏡作用的有效折射率異常區(qū)域，通過波導光在有效折射率變化的界面上的折射而起到透鏡的作用，這種形式的透鏡稱為模折射率透鏡(modeindexlens)。

透鏡區(qū)域的有效折射率表示為nL，周圍的有效折射率為ne

。若nL>ne

，做成往左右兩側(cè)凸出的形狀，相當于凸透鏡，可以聚光；若nL<ne

，做成往左右兩側(cè)凹進的形狀，也相當于凸透鏡，也可以聚光。1.模折射率透鏡5.1.2

透鏡模折射率透鏡的缺點：

（1）像差較大，且在分界面上容易產(chǎn)生光散射和模變換；1.模折射率透鏡5.1.2

透鏡（2）可利用的nL和ne的差值比較小，難以實現(xiàn)小F值的透鏡。（3）不管單個透鏡具有多么良好的性能，在將它與其他的器件組合起來構(gòu)成集成光路的時候，都很容易產(chǎn)生總體特性的惡化。根據(jù)費馬原理，光線將沿著曲面的最短光路的路徑行進，選擇適當?shù)那嫘螤羁赡軐崿F(xiàn)透鏡的聚焦作用；利用這一原理構(gòu)成的透鏡稱為短程透鏡(geodesiclens)。2.短程透鏡5.1.2

透鏡短程透鏡的制作，是在將襯底加工成曲面后，再在其表面形成波導層而構(gòu)成的。為了獲得優(yōu)質(zhì)的聚焦質(zhì)量，需要誤差在1μm以下的加工精度。5.1.2

透鏡2.短程透鏡優(yōu)點：只用薄膜波導就可以實現(xiàn)透鏡功能，可以完全消除球差，獲得較小的焦距和值。缺點：需要使用計算機控制的高精度特殊設(shè)備進行長時間加工，不適于大批量生產(chǎn)，難以成為一種經(jīng)濟的透鏡。5.1.2

透鏡3.折射型微透鏡制作過程：熔融鹽槽中的金屬離子經(jīng)過掩模擴散以置換玻璃中不同的金屬離子，形成折射率呈球形變化、性能類似于透鏡的區(qū)域。優(yōu)點：既容易于其他集成光學器件實現(xiàn)混合集成，也便于進行單片集成。5.1.2

透鏡5.1.2

透鏡微透鏡(microlens)指直徑在10μm~1mm量級的微小透鏡，由這些小透鏡構(gòu)成的陣列稱為微透鏡陣列。微透鏡陣列利用衍射型、折射型或混合型光學器件構(gòu)成。應用：用于光源和探測器陣列中，實現(xiàn)光束的耦合、準直、匯聚、擴束等多種功能。5.1.2

透鏡4.微透鏡陣列5.1.3偏振器與模分離器如圖所示，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。如在用K＋離子交換制作的二維單模玻璃波導上，如果制作5mm的Al膜，TE模的損耗可以控制在2～3dB，而TM的損耗則高達20～30dB。經(jīng)過如此處理，TM模就會被吸收，而TE模則可以通過。1.偏振器——

(1)金屬覆層5.1.3偏振器與模分離器1.偏振器——

(2)使用各向異性的晶體假設(shè)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ng<no，會隨著波導光往方解石中的泄漏和散射而消失。2.模分離器（偏振分束器）偏振分束器（PBS）是一個基本的無源器件，它們用于分開或組