第六章-集成光學(xué)

1、第六章 集成光學(xué)6.1 集成光學(xué)的光傳播理論1.消逝場(chǎng)：介質(zhì)波導(dǎo)中，場(chǎng)要穿入光約束層內(nèi)一定深度2.光波導(dǎo)結(jié)構(gòu) n2n3n1界面全反射，鋸齒波z向傳播,分解為兩個(gè)分量,相位常數(shù)分別為、, k02 n2 =2+23.相位突變界面全反射時(shí)，反射波要產(chǎn)生相位突變對(duì)TE波對(duì)TM波其中p、q為消逝系數(shù))arctan(22)arctan(222312pq)arctan(22)arctan(22232223212212npnnqn2/1212022/123202)()(nkqnkp反射波發(fā)生相位突變的物理意義反射波發(fā)生相位突變的物理意義全反射時(shí)，光穿入約束層內(nèi)一定厚度，導(dǎo)致反射波與入射波相位的不連續(xù)古斯-漢興

2、位移：反射光橫向移動(dòng)了距離光線穿入介質(zhì)層1中的厚度穿入介質(zhì)層3中的深度為1/p, 波導(dǎo)的有效厚度qddz2212qzw1tan2qpwweff/1/13.相位常數(shù)的波橫向傳播，形成駐波，建立橫向共振條件即m是導(dǎo)波的模階數(shù)，不同的m，對(duì)應(yīng)一系列的。該方程稱為模式方程（特征方程、本征值方程）4.對(duì)稱波導(dǎo)，非對(duì)稱波導(dǎo)，強(qiáng)非對(duì)稱波導(dǎo)mwmw2312231222225. 波導(dǎo)中光波的傳播，對(duì)于TE波，解波動(dòng)方程解的形式Y(jié)方向，波不受約束，場(chǎng)與 y無(wú)關(guān)得到方程組區(qū)域1區(qū)域2區(qū)域3邊界條件：(x)和 在1-2，2-3界面處連續(xù) 22222)(tEcntEyiy)(exp)(),(ztixtzxEyy0)()

3、()(0)()()(0)()()(y223202y2y222202y2y221202y2xnkxxxnkxxxnkxxxx/ )(討論1. k0n2，三個(gè)區(qū)域內(nèi)， (x)為指數(shù)函數(shù)，沒意義。2. k0n2(k0n3,k0n1),區(qū)域1，3內(nèi)(x) 為指數(shù)函數(shù)，2內(nèi)為正弦函數(shù)。能量被限制在層2內(nèi)，稱為束縛?；?qū)！?. k0n3k0n1，區(qū)域1內(nèi)(x)為指數(shù)函數(shù)，2，3內(nèi)為正弦函數(shù)。稱為襯底輻射模。4. (k0n3, k0n2 , k0n1) ,三個(gè)區(qū)域內(nèi)， (x)為正弦函數(shù)，稱為波導(dǎo)輻射模。結(jié)論：導(dǎo)模存在的條件：k0n2(k0n3,k0n1)利用邊界條件解得其中區(qū)域1，3中場(chǎng)是指數(shù)衰減的，衰減

4、的快慢分別由q、p決定， q、p值越大，衰減越快，穿透深度越小。同時(shí)得到這與（6.1.1）模式方程是一致的。wxwxpwqwCxwxqxCxqxCy)(exp)sin()/()cos(0)sin()/()cos(0)exp(2/1232022/1212022/122220)()()(nkpnkqnk)/1 (/ )()tan(2pqqp6.截止條件對(duì)于厚2w的對(duì)稱波導(dǎo)波導(dǎo)層2中，隨著的增加， 值減小，直到=k0n3 ，界面2-3不再產(chǎn)生全反射，此時(shí)就是導(dǎo)波截止條件。 厚度2w的對(duì)稱波導(dǎo)傳導(dǎo)m階導(dǎo)模的必要條件：0 qp1030nknk0)2tan(wmw 2mnkw2/122220)(2mnnw

5、k2/123220)(2mnnw2/123220)(4222023232wnmnnn 由波導(dǎo)中場(chǎng)分布圖比較可知(圖6-4，6-5）：厚度2w的對(duì)稱波導(dǎo) m=2M+1階導(dǎo)模場(chǎng)分布沿x中心分一半，與厚度w的非對(duì)稱波導(dǎo)M階導(dǎo)模場(chǎng)分布近似相同 厚度w的非對(duì)稱波導(dǎo)中傳播M階導(dǎo)模的截止條件與厚度2w的對(duì)稱波導(dǎo)中傳播 m=2M+1階導(dǎo)模的截止條件相同 厚度w的非對(duì)稱波導(dǎo)中傳播M階導(dǎo)模的截止條件*n; nw; nM22202323212wnMnnn6.2 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；激勵(lì)簡(jiǎn)單；容易耦合。激勵(lì)方式：電激勵(lì)，光激勵(lì)受激發(fā)射時(shí)的活性物質(zhì)：染料、固體：Nd3

6、+離子、半導(dǎo)體：GaAs GaxAl1-xAs光反饋：解理面、分布反饋、周期結(jié)構(gòu)1.半導(dǎo)體激光器的基礎(chǔ)知識(shí)半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)（a)費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計(jì)分布：熱平衡下，一個(gè)電子占據(jù)一個(gè)能量為E的能級(jí)的幾率：半導(dǎo)體加正向電壓時(shí)的能帶結(jié)構(gòu)(b)勢(shì)壘降低，導(dǎo)電性增加kTEEeFef/ )(11半導(dǎo)體激光器中，要求高摻雜，費(fèi)米能級(jí)進(jìn)入價(jià)(導(dǎo))帶內(nèi)部。加正向電壓時(shí)，勢(shì)壘降低為e(Vd-V)費(fèi)米能級(jí)分離eV=EFn-EFp當(dāng)EFn-EFpEg,即導(dǎo)帶能級(jí)為電子占據(jù)的幾率大于價(jià)帶能級(jí)為電子占據(jù)的幾率。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件。導(dǎo)帶中的電子向下躍遷到價(jià)帶，與價(jià)帶中的空穴復(fù)合產(chǎn)生受激輻射。半導(dǎo)體激光器的解理面反饋同質(zhì)結(jié)；異質(zhì)結(jié)；

7、雙異質(zhì)結(jié)2.雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器3.生長(zhǎng)臺(tái)面型激光器圖6-8中6:p-GaAs5:p-AlxGa1-xAs4:p-GaAs3:n- AlxGa1-xAs2:外部波導(dǎo)1:光約束層4.分布反饋技術(shù)布拉格反射分布反射光柵中得到光柵周期一定時(shí)，只有該式確定的特定波長(zhǎng)的光才能受到強(qiáng)烈的反射m=1，一級(jí)光柵m=3，三級(jí)光柵* 解理面反饋激光器中，發(fā)射光譜多個(gè)峰值分布反饋激光器中，一個(gè)峰，可選縱模 mdBsin2ndB,90mn/201)集成DFB(分布反饋)激光器a.P型雜質(zhì)擴(kuò)散或注入n- Ga1-xAlxAs的局部區(qū)域內(nèi)，形成層p- Ga1-xAlxAs ，從而構(gòu)成p-n結(jié)b.正向大電流注入有源區(qū)光放大

8、，再經(jīng)過分布反饋結(jié)構(gòu)光反射(100%) 產(chǎn)生激光直接耦合入n- Ga1-yAlyAs波導(dǎo)層中傳播。有晶格缺陷，形成復(fù)合中心，增加損耗2)集成DBR(分布布拉格反射式)激光器光柵不在反轉(zhuǎn)區(qū)，而是做在有源區(qū)外面的波導(dǎo)層上。光柵被分成兩部分，分別處于有源區(qū)兩端。6.2.3 薄膜耦合器內(nèi)耦合：波導(dǎo)波導(dǎo)外耦合：輸入輸出波導(dǎo)要求：耦合效率；集成化1.內(nèi)耦合類型及其應(yīng)用a.尖劈薄膜耦合器尖劈薄膜耦合器結(jié)構(gòu)原理：導(dǎo)波沿鋸齒路徑到尖劈區(qū)域，每一次反射的入射角比上一次減小，若干次后，入射角小于全反射角，形成基底模（襯底輻射膜）從襯底輸出。b.波導(dǎo)定向耦合器波導(dǎo)定向耦合器平行放置，間隙小，消逝場(chǎng)耦和2.外耦合類型及

9、其機(jī)制a.直接耦合直接耦合：利用一透鏡將激光束聚焦，直接照射到波導(dǎo)的端部。效率低：薄膜薄，端面不平b.棱鏡耦合器棱鏡耦合器提高了耦合效率：耦合方式連續(xù)耦合結(jié)構(gòu)：n3n1n4n2原理：當(dāng)33c時(shí)，入射棱鏡激光束A3與棱鏡底部反射光B3合成駐波場(chǎng)擴(kuò)散到空氣隙，按exp-(k0n3sin3)x衰減繼續(xù)擴(kuò)散到薄膜中形成導(dǎo)膜(消逝場(chǎng))33c和33c時(shí)棱鏡與薄膜波導(dǎo)間才能有效耦合若薄膜中某一波矢量A1滿足k0n1sin1 = k0n3sin3(3改變激發(fā)起其他的TE、TM膜)，穿入到空氣隙與棱鏡的消逝場(chǎng)相互耦合，由波動(dòng)方程時(shí)時(shí)時(shí)飽和131SaTadzda0z311;0Tadzdaazdzdaa11;0tz

10、z 0;113dzdaSaTa增加a點(diǎn)的耦合，減小b點(diǎn)的耦合，可提高耦合效率劈隙耦合：81% 88%，甚至90%c.光柵耦合光柵耦合在薄膜上做周期光柵原理：由包層或襯底照射到光柵的激光束產(chǎn)生衍射激光束，若某一級(jí)衍射光束的衍射角和導(dǎo)模的模角i相等，則在薄膜中激勵(lì)起導(dǎo)模。由光柵方程衍射光沿向位相變化即位相匹配條件提高耦合效率：減小光柵損耗；選擇光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)缺點(diǎn)：效率低；頻帶窄lnni)sinsin(211/2)sinsin(/2211lnni/2li6.2.4 薄膜調(diào)制器利用電光、聲光、磁光效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)光波的調(diào)制、偏轉(zhuǎn)和開關(guān)優(yōu)點(diǎn)：a.導(dǎo)波介質(zhì)就是調(diào)制介質(zhì) b.有一定的模式限制，易于實(shí)現(xiàn)模的轉(zhuǎn)換、截止和開關(guān) c.厚度薄，外加電壓小，調(diào)制效率高1.波導(dǎo)型電光調(diào)制器結(jié)構(gòu)：襯底： Ga1-xAlxAs 高電導(dǎo)波導(dǎo)： Ga1-yAlyAs yx電極上加反向偏壓原理：波導(dǎo)電光調(diào)制器中波導(dǎo)與襯底間總的折射率差nt由三部分組成：波導(dǎo)與襯底材料的化學(xué)組分不同引起nch波導(dǎo)電光效應(yīng)nEO波導(dǎo)與襯底自由載流子濃度差引起nCCR厚度w的非對(duì)稱波導(dǎo)中傳輸零階導(dǎo)模必須滿足條件1)若選擇未加調(diào)制電壓部分導(dǎo)通狀態(tài)加調(diào)制電壓 導(dǎo)通狀態(tài)電光強(qiáng)度調(diào)制2)若選擇未加調(diào)制電壓關(guān)閉狀態(tài)加調(diào)制電壓 導(dǎo)通狀態(tài)光開關(guān)202)(321nnnCCRch20232)(321nnnn0EOn0EOn202)(321nnnCCRc