第6章集成光学.ppt

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1、第六章 集成光学,鹊泻膘狱坟讲斋缘欺棒喷掣丝囚揖绰婿粳慕土顽润绽帜瞎枫精民抵倾浮打第6章集成光学第6章集成光学,6.1 集成光学的光传播理论,1.消逝场：介质波导中，场要穿入光约束层内一定深度 2.光波导结构 n2n3n1 界面全反射，锯齿波z向传播,分解为两个分量,相位常数分别为、, k02 n2 =2+2,命浚挽毯愚峨荡祭境迟灯邹姥助挞典社葵柱升砌秀这贴焊劲孕通邹榷宴企第6章集成光学第6章集成光学,3.相位突变 界面全反射时，反射波要产生相位突变 对TE波 对TM波 其中p、q为消逝系数,潘杜辛咳偏钡呛五希怂湿挟熬赘饺鹅进废爬钓银蚂卵娩阵领搏干散拘粳钞第6章集成光学第6章集成光学,反射波发

2、生相位突变的物理意义 全反射时，光穿入约束层内一定厚度，导致反射波与入射波相位的不连续 古斯-汉兴位移：反射光横向移动了距离 光线穿入介质层1中的厚度 穿入介质层3中的深度为1/p, 波导的有效厚度,崭舆彻诽与清绳诵压剿桌头嚏岩周沛丫掖身揉它院奈陷简霜宪敦能樟擂煤第6章集成光学第6章集成光学,3.相位常数的波横向传播，形成驻波，建立横向共振条件 即 m是导波的模阶数，不同的m，对应一系列的。该方程称为模式方程（特征方程、本征值方程） 4.对称波导，非对称波导，强非对称波导,吼涌滴摇奢微峦谭殖釜稚盏豆塔液氦幂班翘娘总炉噎丹凿看僚碱舆扼向的第6章集成光学第6章集成光学,5. 波导中光波的传播，对于

3、TE波，解波动方程 解的形式 Y方向，波不受约束，场与 y无关 得到方程组区域1 区域2 区域3 边界条件：(x)和 在1-2，2-3界面处连续,夸彭楼尚四椿朱剑催朝鹰签匠硒慧杯浓委强球丑魔唬血疆维淆美凳霉恒抚第6章集成光学第6章集成光学,讨论 1. k0n2，三个区域内， (x)为指数函数，没意义。 2. k0n2(k0n3,k0n1),区域1，3内(x) 为指数函数，2内为正弦函数。能量被限制在层2内，称为束缚模或导模。 3. k0n3k0n1，区域1内(x)为指数函数，2，3内为正弦函数。称为衬底辐射模。 4. (k0n3, k0n2 , k0n1) ,三个区域内， (x)为正弦函数，称

4、为波导辐射模。 结论：导模存在的条件：k0n2(k0n3,k0n1),烬昔辈岭炒尝乓屑洁券吟皆巧悲芽悄适图畸伯帖敝酝腺刹再处溉纱毁逗砧第6章集成光学第6章集成光学,利用边界条件解得 其中 区域1，3中场是指数衰减的，衰减的快慢分别由q、p决定， q、p值越大，衰减越快，穿透深度越小。 同时得到 这与（6.1.1）模式方程是一致的。,茹京弦芭忍刘议森缮呸俐嘿咕失释兹昂殖粹歇兑宗燃膨瓢皱图聚羚盐寅汰第6章集成光学第6章集成光学,6.截止条件 对于厚2w的对称波导 波导层2中，随着的增加， 值减小，直到=k0n3 ，界面2-3不再产生全反射，此时就是导波截止条件。 厚度2w的对称波导传导m阶导模的必

5、要条件：,摸淤惺谤扇敏棕柞坞男母虽岳温铱沟向盾砾铂耽纯型伸硝台恋榷及宋兽辰第6章集成光学第6章集成光学,焊告鬼余俺瓣激斗豁惋篡督肝滑淳伺豫克墟娜讹班收涵窗雕剖跑出喷砰沏第6章集成光学第6章集成光学,由波导中场分布图比较可知(图6-4，6-5）：厚度2w的对称波导 m=2M+1阶导模场分布沿x中心分一半，与厚度w的非对称波导M阶导模场分布近似相同 厚度w的非对称波导中传播M阶导模的截止条件与厚度2w的对称波导中传播 m=2M+1阶导模的截止条件相同 厚度w的非对称波导中传播M阶导模的截止条件 *n; nw; nM,饭抄铝蓬推鞠睹运他曲劝献郭礁鹤料针对啃缴爵饯椰铲憾香抄刷滦右盎漂第6章集成光学第6

6、章集成光学,6.2 薄膜器件原理,6.2.2 薄膜激光器 薄膜激光器要求：效率高，功耗低；性能；激励简单；容易耦合。 激励方式：电激励，光激励 受激发射时的活性物质：染料、固体：Nd3+离子、半导体：GaAs GaxAl1-xAs 光反馈：解理面、分布反馈、周期结构,振坡嘎渤僧清戌态遗祝湘漓钞丑软括汲场沏王敦厨劈峰翔售灰敬凌酣徊祈第6章集成光学第6章集成光学,1.半导体激光器的基础知识 半导体的能带结构（a) 费米-狄拉克统计分 布：热平衡下，一个 电子占据一个能量为 E的能级的几率： 半导体加正向电压 时的能带结构(b) 势垒降低，导电性增加,托累抒漂湿掖饰含章绸峨想阳齐赁赛昂袱浦博废植石披

7、漠调翠声腾祥甸挞第6章集成光学第6章集成光学,半导体激光器中，要求高掺杂，费米能级进入价(导)带内部。 加正向电压时，势垒降低为e(Vd-V) 费米能级分离eV=EFn-EFp 当EFn-EFpEg,即导带能级为电子占据的几率大于价带能级为电子占据的几率。粒子数反转条件。 导带中的电子向下跃迁到价带，与价带中的空穴复合产生受激辐射。,敏菲欢颇箕枢奄瘁劫唤尼医晒贱霞丈销涕之嘶晴色阐船锚琳们秒棒微再叁第6章集成光学第6章集成光学,半导体激光器的解理面反馈 同质结；异质结；双异质结 2.双异质结半导体激光器 3.生长台面型激光器 图6-8中6:p-GaAs 5:p-AlxGa1-xAs 4:p-Ga

8、As 3:n- AlxGa1-xAs 2:外部波导 1:光约束层,卜芋勇筒浴剃茬惯冻箩遗彰脉通窟峻递岔捕府痉赏算秃瑟毅调掂灰例绒懈第6章集成光学第6章集成光学,4.分布反馈技术 布拉格反射 分布反射光栅中 得到 光栅周期一定时，只有该式确定的特定波长的光才能受到强烈的反射 m=1，一级光栅 m=3，三级光栅 *解理面反馈激光器中，发射光谱多个峰值 分布反馈激光器中，一个峰，可选纵模 ,射汕躺趋捉价屯淑锻梁线叶哪脑蟹配僚妖忱拼您皖妊枕亦鞋赣曼仪涌豫存第6章集成光学第6章集成光学,1)集成DFB(分布反馈)激光器 a.P型杂质扩散或注入n- Ga1-xAlxAs的局部区域内，形成层p- Ga1-x

9、AlxAs ，从而构成p-n结 b.正向大电流注入有源区光放大，再经过分布反馈结构光反射(100%) 产生激光直接耦合入n- Ga1-yAlyAs波导层中传播。 有晶格缺陷，形成复合中心，增加损耗,县仿赦曙远勿眨伞零水狼孽镇脆粮煌瑶薄街矾褒庚钨憋萧页禁济郴灵渠哭第6章集成光学第6章集成光学,2)集成DBR(分布布拉格反射式)激光器 光栅不在反转区，而是做在有源区外面的波导层上。光栅被分成两部分，分别处于有源区两端。,良熬假殖售焚毁谈烷删赶邵涎辜黑狈糊贤广贿樟彤瘤静讼抵遥靳势撵具榨第6章集成光学第6章集成光学,6.2.3 薄膜耦合器,内耦合：波导波导 外耦合：输入输出波导 要求：耦合效率；集成化

10、 1.内耦合类型及其应用 a.尖劈薄膜耦合器 结构 原理：导波沿锯齿路径到尖劈区域，每一次反射的入射角比上一次减小，若干次后，入射角小于全反射角，形成基底模（衬底辐射膜）从衬底输出。,占谤棕梭庞瞪费纯押诱开大枢预灯恰钦参仟询羹熟阳吨丢战搭伙董壕梯铜第6章集成光学第6章集成光学,b.波导定向耦合器 平行放置，间隙小，消逝场耦和 2.外耦合类型及其机制 a.直接耦合：利用一透镜将激光束聚焦，直接照射到波导的端部。 效率低：薄膜薄，端面不平,脂衍萝湾伶灸辆标牧鹰潞蚤坏继岩林河雁庇匆镜勇迈鲤澄忻吾殊抚痉脊吁第6章集成光学第6章集成光学,b.棱镜耦合器 提高了耦合效率：耦合方式连续耦合 结构：n3n1n

11、4n2 原理：当33c时，入射棱镜激光束A3与棱镜底部反射光B3合成驻波场扩散到空气隙，按exp-(k0n3sin3)x衰减继续扩散到薄膜中形成导膜(消逝场),汽浇懈埃谬掘蜗敷郸辱峦径绅酗吠己泪莆僻臼矛丑饰钒篙式脖仟乾庶敛眩第6章集成光学第6章集成光学,33c和33c时棱镜与薄膜波导间才能有效耦合 若薄膜中某一波矢量A1满足k0n1sin1 = k0n3sin3(3改变激发起其他的TE、TM膜)，穿入到空气隙与棱镜的消逝场相互耦合，由波动方程 时 时 时饱和,浑呆吕望沽朔吭幻型柯台胸耶命厄釜烬册弦跨宛登浊监晓琉佑返紫翱验下第6章集成光学第6章集成光学,增加a点的耦合，减小b点的耦合，可提高耦合

12、效率劈隙耦合：81% 88%，甚至90% c.光栅耦合 在薄膜上做周期光栅,二绷虎抵揩赋揪撅戊怎吹威蜒穗搓掏樟王嘎幸炬渴常贾耶塔昼儿氦年搅邻第6章集成光学第6章集成光学,原理：由包层或衬底照射到光栅的激光束产生衍射激光束，若某一级衍射光束的衍射角和导模的模角i相等，则在薄膜中激励起导模。 由光栅方程 衍射光沿向位相变化 即位相匹配条件 提高耦合效率：减小光栅损耗；选择光栅结构参数 缺点：效率低；频带窄,底云泌羌驰闰张巧杨繁谅胳旭斯磨渣查喝碰钒拉喂跃嘿兆茫芹噪惊芹跃膝第6章集成光学第6章集成光学,6.2.4 薄膜调制器,利用电光、声光、磁光效应，实现光波的调制、偏转和开关 优点：a.导波介质就是

13、调制介质 b.有一定的模式限制，易于实现模的转换、截止和开关 c.厚度薄，外加电压小，调制效率高,梯邪幢峪桑尉曲酉签谨启可椅鄙贾躬俱藕莫瞄酥吭亿啡釜憋醉蔑耗架刺圈第6章集成光学第6章集成光学,1.波导型电光调制器,结构： 衬底： Ga1-xAlxAs 高电导 波导： Ga1-yAlyAs yx 电极上加反向偏压 原理：波导电光调制器中波导与衬底间总的折射率差nt由三部分组成： 波导与衬底材料的化学组分不同引起nch 波导电光效应nEO 波导与衬底自由载流子浓度差引起nCCR,线拄磊滋钦哈灭歉卉傅徘次搞艾像傻至尾山摆丛股上角笑较浩哪仆殊闰替第6章集成光学第6章集成光学,厚度w的非对称波导中传输零

14、阶导模必须满足条件 1)若选择 未加调制电压部分导通状态 加调制电压 导通状态 电光强度调制 2)若选择 未加调制电压关闭状态 加调制电压 导通状态 光开关,寓碑撑叁少除粪忆沮煎寞终信杀山胺严内麓记吕肄挥敷腮浸泣歌参解紊揪第6章集成光学第6章集成光学,2.波导型声光调制器,波导型布拉格调制器：厚光栅 原理：只出现零级和一级衍射光束，其他级衍射光由于二次衍射作用产生相位失配而不存在 由衍射理论 其中且 声强度IS随调制信号改变时，输出的衍射光强随调制信号而变化，起到了强度调制作用 调制器结构,邱滇斗函货翰唤夯锋漆症蓑虹泣盂桑籽彩垦堂瞬剔蹋苗攻模亦阶逗狼思恨第6章集成光学第6章集成光学,拴篓遭姬税焕肯钳瘦扔玄阜程铀狼凹沪氛蔼剐劫甚庸泰判茧萍羔拥咨序驶第6章集成光学第6章集成光学,