集成光學(xué)考試總結(jié)

1、第一章1. 集成光學(xué)的分類： 按集成的方式劃分：個(gè)數(shù)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(shù)途徑劃分：?jiǎn)纹珊突旌霞?按研究?jī)?nèi)容劃分：導(dǎo)波光學(xué)和集成光路2. 集成光學(xué)的定義 (1)集成光學(xué)是在光電子學(xué)和微電子學(xué)基礎(chǔ)上，采用集成方法研究和發(fā)展光學(xué)器件和混合光學(xué)-電子學(xué)器件系統(tǒng)的一門新的學(xué)科。 (2)集成光學(xué)是研究介質(zhì)薄膜中的光學(xué)現(xiàn)象，以及光學(xué)元器件集成化的一門學(xué)科。 (3)集成光學(xué)是研究集成光路的特性和制造技術(shù)以及與微電子學(xué)相結(jié)合的學(xué)科。3. 集成光學(xué)的主要應(yīng)用 光纖通信，光子計(jì)算機(jī)，光纖傳感4. 集成光學(xué)系統(tǒng)有什么優(yōu)點(diǎn)？ 1）集成光

2、學(xué)系統(tǒng)與離散光學(xué)器件系統(tǒng)的比較 (1)光波在光波導(dǎo)中傳播，光波容易控制和保持其能量。(2)集成化帶來的穩(wěn)固定位。 (3)器件尺寸和相互作用長(zhǎng)度縮短；相關(guān)的電子器件的工作電壓也較低。(4)功率密度高。沿波導(dǎo)傳輸?shù)墓獗幌拗圃讵M小的局部空間，導(dǎo)致較高的功率密度，容易達(dá)到必要的器件工作閾值和利用非線性效應(yīng)工作。 (5)體積小，重量輕。集成光學(xué)器件一般集成在厘米尺度的襯底上，其體積小，重量輕。 2）集成光路與集成電路的比較把激光器、調(diào)制器、探測(cè)器等有源器件集成在同一襯底上，并用光波導(dǎo)、隔離器、耦合器和濾波器等無源器件連接起來構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)稱為集成光路，以實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)的薄膜化、微型化和集成化。用集成光路代

3、替集成電路的優(yōu)點(diǎn)包括帶寬增加，波分復(fù)用，多路開關(guān)。耦合損耗小，尺寸小，重量輕，功耗小，成批制備經(jīng)濟(jì)性好，可靠性高等。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(yīng)、電光效應(yīng)、聲光效應(yīng)、磁光效應(yīng)、熱光效應(yīng)等多種物理效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)新型的器件功能。第二章1. 光波導(dǎo)的分類(a)平板波導(dǎo)(slab waveguide)(b)條形波導(dǎo)(strip waveguide) (c)圓柱波導(dǎo)(cylindrical waveguide)2. 會(huì)利用射線光學(xué)方法分析平板波導(dǎo)的覆蓋層輻射波、襯底層輻射波和傳導(dǎo)波的形成條件。3. TE、TM模的本征模方程（色散方程）是什么？TE、TM模的截止波長(zhǎng)（

4、截止頻率）、波導(dǎo)截止厚度的表達(dá)式？為什么對(duì)稱波導(dǎo)的基模不存在截止頻率？4. 會(huì)求給定平板波導(dǎo)所能傳輸?shù)哪Ｊ剑?. 各種光束耦合器的工作原理和特點(diǎn)？棱鏡耦合器：棱鏡耦合法的優(yōu)點(diǎn)：1. 在最佳條件下可以得到很高的效率（輸入時(shí)約為80%，輸出時(shí)約為100）。2. 可以從自由導(dǎo)波模中任選一種進(jìn)行激勵(lì)。3. 不僅適用于平板波導(dǎo)，在條形波導(dǎo)的情況下也可以高效率地使用。4. 棱鏡位置可即可離，能夠在實(shí)驗(yàn)過程中調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)最大耦合強(qiáng)度。缺點(diǎn)： (1) 棱鏡與波導(dǎo)間隙以及入射光束的位置需要進(jìn)行精心調(diào)整，缺乏穩(wěn)定性。(2) 棱鏡耦合器所用的材料除應(yīng)滿足np>n1外，還要求對(duì)所用的光波長(zhǎng)透明，無顯著吸收與散射

5、。光柵耦合器功能與棱鏡耦合器類似，用于實(shí)現(xiàn)自由空間和平面介質(zhì)光波導(dǎo)之間的耦合，不同的是棱鏡和間隙介質(zhì)被光柵薄膜代替。 光柵耦合器的優(yōu)點(diǎn)： 1) 不受光波導(dǎo)折射率大小的限制。2) 可以選擇所有導(dǎo)模中的任意一種進(jìn)行激勵(lì)。3) 可以與波導(dǎo)集成。震動(dòng)或外界環(huán)境的變化，不會(huì)改變耦合效率，穩(wěn)定性好，體積小，價(jià)格便宜。4) 調(diào)整光束的入射位置時(shí)不需要特別嚴(yán)格的精度。5) 也可以在橫向進(jìn)行同樣的耦合，因此可以激勵(lì)寬度非常大的波導(dǎo)光。光柵耦合器的缺點(diǎn)：1)由于光柵耦合與入射光角度的高度相干性，光柵耦合器不能有效地用于發(fā)散光束的耦合；2) 光柵耦合器設(shè)計(jì)過程需要進(jìn)行復(fù)雜的理論計(jì)算，而且制作比較困難；3) 器件的參

6、數(shù)在制作后無法進(jìn)一步調(diào)整；4) 對(duì)于條形波導(dǎo)，光束截面的匹配比較困難。尖劈形薄膜耦合器優(yōu)點(diǎn)：制作簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)有效的輸出耦合。缺點(diǎn)：用于輸入耦合時(shí)，很難獲得高的效率。第三章1. 光波導(dǎo)的調(diào)制內(nèi)調(diào)制（直接調(diào)制）和外調(diào)制（間接調(diào)制）：內(nèi)調(diào)制是利用調(diào)制信號(hào)直接控制激光器的振蕩參數(shù)，使輸出光的特性隨信號(hào)而改變。外調(diào)制是用調(diào)制信號(hào)作用于激光腔外面的調(diào)制器，產(chǎn)生某種物理效應(yīng)（如電光、磁光、聲光、熱光等效應(yīng)），使通過調(diào)制器的激光束的某一個(gè)參量隨信號(hào)而變。2. 光波調(diào)制相位調(diào)制，強(qiáng)度調(diào)制，偏振調(diào)制3. 會(huì)求電光效應(yīng)引起的折射率的變化4. 聲光效應(yīng)的布拉格條件和Q判據(jù)？拉曼奈斯衍射和布拉格衍射有何不同？根據(jù)聲波

7、和光波的波長(zhǎng)以及相互作用區(qū)域的長(zhǎng)度L的相對(duì)大小，存在兩種聲光衍射現(xiàn)象，即拉曼奈斯(Raman-Nath)衍射和布拉格衍射(1). 拉曼奈斯(Raman-Nath)衍射此時(shí)聲波頻率較低，聲波束寬度L較小，由于聲速比光束小的多，在光束通過介質(zhì)的時(shí)間內(nèi)，折射率的變化可以忽略不計(jì)，可以把聲光介質(zhì)看作相對(duì)靜止的“面相位光柵”或“薄光柵”，此時(shí)聲波的作用可視為與普通平面光柵相同的折射率光柵。由于光柵較薄，使得入射光在L距離內(nèi)只受到一次衍射就偏離原方向從器件中輸出，從而形成多級(jí)衍射光束。當(dāng)入射光沿z方向 時(shí)，各級(jí)衍射處所相應(yīng)的方向 由下式給出 計(jì)算表明，拉曼奈斯衍射的效率較低，其中一級(jí)衍射效率最大不超過35

8、%，但這種衍射不受入射角的限制，因此調(diào)節(jié)方便，在許多領(lǐng)域仍得到廣泛應(yīng)用。(2) Raman-Nath衍射條件：當(dāng)聲波束寬度滿足 時(shí)，即產(chǎn)生Raman-Nath衍射，可以忽略介質(zhì)中各衍射光的相互影響 。5. 自然旋光旋光定義：當(dāng)線偏振光沿某些晶體（如石英）的光軸方向傳播，或通過某些溶液（如蔗糖）時(shí)，其振動(dòng)面將以光的傳播方向?yàn)檩S發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這稱為旋光現(xiàn)象。 自然旋光現(xiàn)象的特征（1）自然旋光具有可逆性。若迎著光傳播方向看去，振動(dòng)面表現(xiàn)為右旋，則當(dāng)光線逆反時(shí)，振動(dòng)面仍表現(xiàn)為右旋，即左右旋與光的傳播方向無關(guān)！（2）光束一正一反兩次通過自然旋光物質(zhì)時(shí)，振動(dòng) 面轉(zhuǎn)過角度為0。5. 什么是磁光效應(yīng)，利用磁光效應(yīng)

9、可以構(gòu)成哪些光學(xué)器件？法拉第磁致旋轉(zhuǎn)效應(yīng)：在外加磁場(chǎng)B作用下，某些原本各向同性的介質(zhì)變成旋光性物質(zhì)，偏振光通過該物質(zhì)時(shí)其偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)。法拉第旋轉(zhuǎn)的特殊規(guī)律（1）磁致旋光不可逆性。當(dāng)光傳播方向平行于磁場(chǎng)時(shí)，若法拉第效應(yīng)表現(xiàn)為右旋，則當(dāng)光線逆反時(shí)，法拉第效應(yīng)表現(xiàn)為左旋。（2）光束一正一反兩次通過磁光介質(zhì)時(shí)，振動(dòng)面轉(zhuǎn)過角度 。法拉第旋轉(zhuǎn)的應(yīng)用：磁光隔離器（Isolators ）：放置于激光器及光放大器前面，防止系統(tǒng)中的反射光對(duì)器件性能的影響甚至損傷，即只允許光單向傳輸。磁光環(huán)行器（Circulators ）：一種三端口（或四端口）的非互易磁性器件，在光網(wǎng)絡(luò)中用于信號(hào)的上、下載。第四章1.電子躍遷的

10、種類受激輻射受激吸收自發(fā)輻射2. 半導(dǎo)體激光器的分類F-P腔激光器，分布反饋(DFB)激光器和分布Bragg反射器(DBR)激光器，量子限制激光器，垂直腔表面發(fā)射激光器（VCSEL），解理耦合腔半導(dǎo)體激光器(C3,cleaved coupled cavity)3. 半導(dǎo)體激光器效率的各種定義和表達(dá)式，會(huì)求半導(dǎo)體激光器的發(fā)射波長(zhǎng)發(fā)射波長(zhǎng)：4. DFB和DBR激光器在結(jié)構(gòu)和工作上有何不同？如何求它們的發(fā)射波長(zhǎng)？(1)DFB激光器的模式:不正好是布拉格波長(zhǎng)，而是對(duì)稱的位于 的兩側(cè)。 假設(shè)是允許DFB發(fā)射的模式，此時(shí)式中m是模數(shù)，L是衍射光柵有效長(zhǎng)度。完全對(duì)稱的器件應(yīng)具有兩個(gè)與B等距離的模式；實(shí)際上，

11、由于制造過程，或者有意使其不對(duì)稱，只能產(chǎn)生一個(gè)模式；又因?yàn)長(zhǎng)>> B ，上式的第二項(xiàng)非常小，所以發(fā)射光的波長(zhǎng)非?？拷麭 (2) DBR激光器除有源區(qū)外，還在緊靠其右側(cè)增加了一段分布式布拉格反射器，它起著衍射光柵的作用。 DBR激光器的輸出是反射光相長(zhǎng)干涉的結(jié)果，只有當(dāng)布拉格波長(zhǎng)滿足(2) DBR結(jié)構(gòu)和DFB類似，區(qū)別在于DBR根據(jù)波導(dǎo)功能進(jìn)行分區(qū)設(shè)計(jì)，光柵的周期性溝槽放在有源波導(dǎo)兩外側(cè)的無源波導(dǎo)上，從而避免了光柵制作過程中可能造成的晶格損傷。有源波導(dǎo)的增益性能和無源周期波導(dǎo)的Bragg反射作用相結(jié)合，只有位于Bragg頻率附近的光波才能得到激射。(3) DFB激光器的特點(diǎn)：1）動(dòng)態(tài)

12、單縱模窄線寬振蕩 DFB激光器只有滿足Bragg反射條件的特定波長(zhǎng)的光才能受到強(qiáng)烈反射而形成振蕩。多個(gè)微型諧振腔同步振蕩、共同選模，實(shí)現(xiàn)單縱模振蕩。 2）波長(zhǎng)穩(wěn)定性好 溫度漂移約為0.08nm/。3）動(dòng)態(tài)譜線好 DFB激光器在高速調(diào)制時(shí)仍然保持單模特性。4）線性度好 現(xiàn)已研制出線性度非常好的DFB激光器，廣泛用于模擬調(diào)制的有線電視光纖傳輸系統(tǒng)中。 5）波長(zhǎng)選擇性改變光柵周期能夠在一定范圍內(nèi)有控制地選擇激光器的發(fā)射波長(zhǎng)。(4) DBR激光器的特點(diǎn)：DFB激光器的增益區(qū)同光柵區(qū)重疊，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流改變時(shí)，輸出功率和發(fā)射波長(zhǎng)同時(shí)改變；而DBR激光器的反射器和增益區(qū)分離，所以可以分別控制DBR激光器的輸出

13、功率（通過改變流過激射區(qū)的電流）和發(fā)射波長(zhǎng)（通過改變流過光柵段的電流）。所以DBR激光器比DFB激光器更易于控制和調(diào)整。 5. 參數(shù)(1) 峰值波長(zhǎng)在規(guī)定輸出光功率時(shí)，激光光譜內(nèi)強(qiáng)度最大的光譜波長(zhǎng)被定義為峰值波長(zhǎng)。 (2)中心波長(zhǎng) 在光源的發(fā)射光譜中，連接50最大幅度值線段的中點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)稱為中心波長(zhǎng) (3)譜寬與線寬包含所有振蕩模式在內(nèi)的發(fā)射譜總的寬度稱為激光器的譜寬；某一單獨(dú)模式的寬度稱為線寬。(4) 邊模抑制比（SSR）邊模抑制比是指在發(fā)射光譜中，在規(guī)定的輸出功率和規(guī)定的調(diào)制（或CW）時(shí)最高光譜峰值強(qiáng)度與次高光譜峰值強(qiáng)度之比。該參數(shù)僅用于單模LD，如DFB-LD。6. 光檢測(cè)器光檢測(cè)器

14、是光信號(hào)的接收器件，是完成光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的一種有源器件，又稱光子計(jì)數(shù)器。它們檢測(cè)光信號(hào)的工作原理，可以分為三個(gè)步驟： (1)光信號(hào)產(chǎn)生光生載流子； (2)光生載流子的遷移和可能的倍增（放大）； (3)光電流與外電路的相互作用與聯(lián)系。 7. PIN光電檢測(cè)器的基本參數(shù)及定義,求PIN的響應(yīng)度和量子效率（1） 波長(zhǎng)響應(yīng)（光譜特性） (a) 上截止波長(zhǎng):(b)下截止波長(zhǎng)：當(dāng)入射光波長(zhǎng)太短時(shí)，光子的吸收系數(shù)很強(qiáng)，使光電轉(zhuǎn)換效率大大下降。 （2）光電轉(zhuǎn)換效率(a)量子效率：量子效率定義為入射在檢測(cè)器上的一個(gè)光子所產(chǎn)生的對(duì)光電流有貢獻(xiàn)的光生載流子數(shù)目。即(b) 響應(yīng)度：（3）響應(yīng)速度響應(yīng)速度常用響應(yīng)時(shí)

15、間(上升時(shí)間和下降時(shí)間)來表示。輸入階躍光功率時(shí)，光生電流脈沖由前沿最大幅度的10上升到的90，后沿的90下降到10的時(shí)間定義為脈沖上升時(shí)間和下降時(shí)間。8. APD的工作原理碰撞電離，雪崩倍增光生的電子-空穴對(duì)經(jīng)過高電場(chǎng)區(qū)時(shí)被加速。從而獲得足夠的能量，它們?cè)诟咚龠\(yùn)動(dòng)中與 P 區(qū)晶格上的原子碰撞，使晶格中的原子電離，從而產(chǎn)生新的電子-空穴對(duì)。這種通過碰撞電離產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)，稱為二次電子-空穴對(duì)。新產(chǎn)生的二次電子和空穴在高電場(chǎng)區(qū)里運(yùn)動(dòng)時(shí)又被加速，又可能碰撞別的原子，這樣多次碰撞電離的結(jié)果，使載流子迅速增加，反向電流迅速加大，形成雪崩倍增效應(yīng)。第五章1. 光無源器件分類按功能分類：光耦合器、光開

16、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(yīng)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。2. 電光調(diào)制器的分類和工作原理（重點(diǎn)是單波導(dǎo)型和定向耦合器型）(1)電光調(diào)制器的分類：?jiǎn)尾▽?dǎo)電光調(diào)制器，定向耦合器型電光開關(guān)與調(diào)制器，馬赫曾德爾干涉儀型電光開關(guān)與調(diào)制器，全內(nèi)反射型電光開關(guān)和調(diào)制器(2)單波導(dǎo)型工作原理: 這種調(diào)制器一般是在低折射率的襯底上制作高折射率的波導(dǎo)層并做上電極而構(gòu)成的。這類調(diào)制器中波導(dǎo)與襯底之間的總的折射率差主要是由三種不同的原因造成的, ,只要設(shè)法改變器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而改變上

17、式等號(hào)右邊的三項(xiàng)的差值，就可以設(shè)計(jì)出不同狀態(tài)的調(diào)制器或開關(guān)。(3)定向耦合器型工作原理：定向耦合式調(diào)制器是由平行且距離很小的兩個(gè)光波導(dǎo)組成，其中一個(gè)波導(dǎo)的光能耦合到另一個(gè)波導(dǎo)內(nèi)，電極電場(chǎng)的作用是改變波導(dǎo)的傳播特性和促進(jìn)兩波導(dǎo)間的橫向光耦合。在光的一個(gè)耦合周期內(nèi)，當(dāng)電極上無電壓時(shí)，一個(gè)波導(dǎo)內(nèi)傳輸?shù)墓鈱⑼耆満系搅硪粋€(gè)波導(dǎo)輸出；當(dāng)電極上有電壓時(shí)，進(jìn)入一個(gè)波導(dǎo)內(nèi)的光，耦合后將完全再返回到原波導(dǎo)中傳播和輸出.因此光信號(hào)就受到了控制電壓的調(diào)制。3. TE-TM模式分離器和轉(zhuǎn)換器的工作原理分離器：(1) 在波導(dǎo)層的表面直接制作金屬薄膜，根據(jù)金屬薄膜對(duì)TE模和TM模的傳輸損耗的差異來實(shí)現(xiàn)某個(gè)模式的消除。(2

18、) 使用各向異性的晶體, 在離子交換玻璃波導(dǎo)上，加載與LiNbO3同屬于三方晶系的負(fù)單軸晶體方解石（CaCO3）而構(gòu)成偏振器。方解石對(duì)應(yīng)于正常光線和異常光線的折射率，在波長(zhǎng)為0.633m時(shí)，分別為no=1.656，ne1.458，當(dāng)波導(dǎo)的折射率為ng，存在著no>ng>ne的關(guān)系。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(dǎo)中傳輸；TM模則由于ng<no，會(huì)隨著波導(dǎo)光往方解石中的泄漏和散射而消失。轉(zhuǎn)換器：TETM模式轉(zhuǎn)換器的基本思想是采用沿導(dǎo)波傳播方向周期性地變化外加電場(chǎng)的方法來彌補(bǔ)TE模和TM模之間的相位失配，從而實(shí)現(xiàn)TETM之間的模式轉(zhuǎn)換。相位匹配關(guān)系為共線集成聲光器件的基本結(jié)構(gòu)單元是聲光TETM模式轉(zhuǎn)換器和偏振分束器，通過二者的組合，可以實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)分波器、濾波器、波長(zhǎng)選擇開關(guān)和分插復(fù)用器等。這類聲光器件的TETM光波模式轉(zhuǎn)換作用是由聲表面波引起的，而聲表面波是利用在壓電材料上制作的叉指換能器通過電聲轉(zhuǎn)換獲得的。聲表面波的頻率決定了能發(fā)生偏振模轉(zhuǎn)換的光波長(zhǎng)，從而可以實(shí)現(xiàn)光波長(zhǎng)選擇。第六章1. 光集成的方式有哪些？光集成的