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文檔簡介
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:介質(zhì)波導(dǎo)中,場要穿入光約束層內(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,分解為兩個分量,相位常數(shù)分別為、, k02 n2 =2+23.相位突變界面全反射時,反射波要產(chǎn)生相位突變對TE波對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,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.對稱波導(dǎo),非對稱波導(dǎo),強非對稱波導(dǎo)mwmw2312231222225. 波導(dǎo)中光波的傳播,對于TE波,解波動方程解的形式Y(jié)方向,波不受約束,場與 y無關(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.截止條件對于厚2w的對稱波導(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,此時就是導(dǎo)波截止條件。 厚度2w的對稱波導(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)中場分布圖比較可知(圖6-4,6-5):厚度2w的對稱波導(dǎo) m=2M+1階導(dǎo)模場分布沿x中心分一半,與厚度w的非對稱波導(dǎo)M階導(dǎo)模場分布近似相同 厚度w的非對稱波導(dǎo)中傳播M階導(dǎo)模的截止條件與厚度2w的對稱波導(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;激勵簡單;容易耦合。激勵方式:電激勵,光激勵受激發(fā)射時的活性物質(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)知識半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)(a)費米-狄拉克統(tǒng)計分布:熱平衡下,一個電子占據(jù)一個能量為E的能級的幾率:半導(dǎo)體加正向電壓時的能帶結(jié)構(gòu)(b)勢壘降低,導(dǎo)電性增加kTEEeFef/ )(11半導(dǎo)體激光器中,要求高摻雜,費米能級進入價(導(dǎo))帶內(nèi)部。加正向電壓時,勢壘降低為e(Vd-V)費米能級分離eV=EFn-EFp當(dāng)EFn-EFpEg,即導(dǎo)帶能級為電子占據(jù)的幾率大于價帶能級為電子占據(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帶,與價帶中的空穴復(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.生長臺面型激光器圖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,只有該式確定的特定波長的光才能受到強烈的反射m=1,一級光柵m=3,三級光柵* 解理面反饋激光器中,發(fā)射光譜多個峰值分布反饋激光器中,一個峰,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,消逝場耦和2.外耦合類型及
9、其機制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,入射棱鏡激光束A3與棱鏡底部反射光B3合成駐波場擴散到空氣隙,按exp-(k0n3sin3)x衰減繼續(xù)擴散到薄膜中形成導(dǎo)膜(消逝場)33c和33c時棱鏡與薄膜波導(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相互耦合,由波動方程時時時飽和131SaTadzda0z311;0Tadzdaazdzdaa11;0tz
10、z 0;113dzdaSaTa增加a點的耦合,減小b點的耦合,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: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),實現(xiàn)光波的調(diào)制、偏轉(zhuǎn)和開關(guān)優(yōu)點: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
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