光波导理论2012-1

平板波导几何光学分析,2012年2月,选修课汪平河/刘永 共40学时（周二9-11节，三教102）I ： 理论II： 技术,光波导理论与技术,教学目的,通过本课程的学习，要求学生：,了解集成光学的基本概念，,熟练掌握光波在平板介质波导中的传输特性,掌握集成光波导器件的制备材料、典型结构、工作原理及基本制备工艺过程，,掌握光波导器件的参数测试技术，,了解光波导技术的应用及发展现状。,教学内容,第一章：集成光学概论,第二章：导波光学理论,第一节 平板光波导的射线光学分析（4学时）,第二节 平板光波导的波动方程分析（4学时）,第三节 条形光波导的波动方程分析（4学时）,第四节 耦合模理论（4学时）,第三章：光波导器件与集成技术（22学时）,第一节 集成光学材料（2学时）,第二节 光波导的主要制作和集成技术（8学时）,第三节：光波导的损耗（1学时）,第四节：光波导参数测试(1学时),第五节 集成光波导器件 (8学时),第六节：集成光学的应用及发展趋势(2学时),考核方式与成绩评定,考核方式：闭卷笔试,成绩评定：平时考核成绩（出勤，实践表现及作业）占20%，期末考试成绩占80%。,教材及主要参考书目,教材：,光波导理论与技术，李玉权 崔敏，人民邮电出版社，2002,参考书：,Integrated Optics: Theory and Technology，sixth Edition, R.G.Hunsperger, Springer Verlag, 2009,介质光波导及其应用, 秦秉坤等,北京理工大学出版社，1991,光波导技术理论基础, 叶培大等, 北京邮电大学出版社,2002,Optical Integrated Circuits，Hiroshi Nishihara, Masamitsu Haruna, Toshiaki Suhara，McGraw-Hill Professional, 1989,集成光学， 蔡伯荣主编 电子科技大学出版社出版，1998,徐国昌,光电子物理基础M.东南大学出版社:2000.,光波导模式理论，马春生、刘式墉，吉林大学出版社，2006,导波光学 （20学时） 汪平河 光电学院416房间 电话83205564,光 波 导 理 论,绪论 2012年2月,集成光学概论,1.1 集成光学的概念,1.2 集成光学的特点,1.3 集成光学的发展和现状,1.4 研究集成光学的意义,1.1 集成光学的概念,1. 集成电路(integrated circuit, IC),1957年，得克萨斯仪器公司的基尔毕(Kirby)发明集成电路,2006年，被集成的晶体管个数达到两亿个；今年，美国英特尔集成了23亿个晶体管（目前最高水平）。,“集成”,成为了一种潜力难以估量的,科学技术手段,。,1947年，贝尔研究所的肖克利（Shockley）、巴丁（Bardeen）、布拉顿（Brattain）发明晶体管,His idea founded a new industry,Has Nobel price in physics year 2000,The first integrated circuit,2.,集成光学概念的提出,集成光学的概念是1969年美国贝尔实验室的Miller博士提出的(Integrated Optics: An Introduction, Bell System Technical Journal, 1969, 48:20592061),集成光学发展初期，美国华裔科学家田柄耕假借集成电路的概念，对集成光学归纳了三条定义：（1）光束能限制在光波导中传播；（2）利用光波导可以制成各种光波导器件；（3）将光波导和光波导器件集成起来可构成有特定功能的集成光路,目前，“集成光学”的概念涵盖广泛的内容。,按集成的方式划分：个数集成和功能集成,按集成的类型划分：光子集成回路（PIC）和光电子集成回路（OEIC）,按集成的技术途径划分：单片集成和混合集成,按研究内容划分：导波光学和集成光路,3.集成光学的定义,(1)集成光学是在光电子学和微电子学基础上，采用集成方法研究和发展光学器件和混合光学电子学器件系统的一门新的学科。,(2)集成光学是研究介质薄膜中的光学现象，以及光学元器件集成化的一门学科。,(3)集成光学是研究集成光路特性和制造技术以及与微电子学相结合的学科。,4. 从四个方面理解集成光学的概念：,(a)理论基础：光学和光电子学,(b)工艺基础：薄膜技术、微电子工艺,(c)主要目的：实现光学系统的薄膜化、微型化和集成化,(d)主要应用：光纤通信、光子计算机、光纤传感、光学信息处理等,集成光学主要应用（一）光纤通信,1.光纤通信,光集成器件是实现高速率大容量光通信网络的关键硬件和必由之路，包括高速响应集成激光源、波导光栅阵列密集波分复用器、窄带响应集成光电探测器、路由选择的波长变换器、快速响应光开关矩阵、低损耗多址波导分束器等。,集成光学主要应用（二）光子计算机,光子计算机：,光子计算机是一种全新的计算机，是以光子作为主要的信息载体，以光子系统作为计算机的主体，以光运算作为计算机运算方式的计算机。,光子计算机的优点：,(a)具有超高的运算速度 串行电子计算机的极限速度是10,10,次/秒，而光子计算机的理论计算速度达10,23,次/秒，在技术上可实现10,12,10,15,次/秒的计算速度,(b)具有超并行性工作的能力,(c)具有极高的信息存储能力比电子计算机高10,6,10,9,倍。,集成光学主要应用（三）光纤传感,光纤传感器具有抗电磁干扰和原子辐射、重量轻、体积小、绝缘、耐高温、耐腐蚀等众多优异的性能，能够对应变、压力、温度、振动、声场、折射率、加速度、电压、气体等各种参数进行精确测量，能够适应极端恶劣的环境。同时，由于光纤传输损耗低、频带宽，使得光纤传感器在组网和传输距离方面，与传统的传感器相比具有无可比拟的优势。,经过40年的发展，集成光学不再是当初把几个光学器件集成在一起的简单概念，而是一个集光学、激光、微电子学、光电子学、通信、薄膜技术等为一体的独立的,交叉学科,，是当今光学和光电子学领域的,发展前沿之一,，是光学发展的,必由之路和高级阶段,。,1.2 集成光学的特点,1.2.1 集成光学系统与离散光学器件系统的比较,(1)光波在光波导中传播，光波容易控制和保持其能量。,(2)集成化带来的稳固定位。,(3)器件尺寸和相互作用长度缩短；相关的电子器件的工作电压也较低。,(4)功率密度高。沿波导传输的光被限制在狭小的局部空间，导致较高的功率密度，容易达到必要的器件工作阈值和利用非线性效应工作。,(5)体积小，重量轻。集成光学器件一般集成在厘米尺度的衬底上，其体积小，重量轻。,1.2.2 集成光路与集成电路的比较,用集成光路代替集成电路的优点包括带宽增加，波分复用，多路开关。耦合损耗小，尺寸小，重量轻，功耗小，成批制备经济性好，可靠性高等。由于光和物质的多种相互作用，还可以在集成光路的构成中，利用诸如光电效应、电光效应、声光效应、磁光效应、热光效应等多种物理效应，实现新型的器件功能。,把激光器、调制器、探测器等有源器件集成在同一衬底上，并用光波导、隔离器、耦合器和滤波器等无源器件连接起来构成的微型光学系统称为,集成光路,，以实现光学系统的薄膜化、微型化和集成化。,1,光波导具有非常宽的带宽,2,光子器件中光子运动速度比电子器件中电子高得多，而且没有导线电容和电感对频率的限制,3,在同一光路上可以传输和处理多个或多频率的信号，即实现“波分多路复用”,4,在空间上可以实现一维或二维以致三维立体的多路阵列传输及存储、处理,5,较小的尺寸、重量，较低功耗,6,成批制造的前景和经济性,7,改善可靠性,8,改善光学连接及对准的稳定性和可靠性，避免由于震动带来的系统不稳定或失败,9,降低成本（制造、应用、维护、升级）,集成光路的优点,光元器件与电子元器件的特性比较,特征项,光元器件,电子元器件,(a)基本作用,光波导中的光传输及光与电子/晶格的相互作用,衬底表面附近的电子传输与控制,(b)基本元器件,光波导，半导体激光器等,晶体管、电阻、电容,(c)元器件尺寸（厚度方向）,波长（微米）量级，个别达到纳米量级,数十纳米至数微米,(d)元器件尺寸（长度方向）,微米至数毫米，个别达到纳米级,数十纳米至数微米,(e)与其他部件的连接,稍难需要精密的位置精度（m），光波导,容易电气布线，导体,(f)元器件可靠性,有问题，通常需要检测全部元器件,几乎没有问题，通常进行抽验,(g)元器件制造工艺,多样，研究开发中,基本平面工艺，已成熟,1.3 集成光学的发展和现状,1962年开发出了第一个半导体同质结激光二极管，但其效率较低，阈值电流较大，不能在室温下连续工作。,1967年异质结外延生长技术的出现，拉开了半导体激光器实用化的序幕,。,1969年，S. E. Miller提出“集成光学”概念,1970年实现了激光二极管的室温连续工作。此后，分布反馈式和分布布拉格反射器式激光器、量子阱和应变量子阱激光器、垂直腔面发射激光器、半导体激光器阵列等半导体激光器、半导体光放大器和集成光源不断涌现，为集成光学长远的发展奠定了基础。,1.3.1 发展简史,1972年，Somekh和Yariv提出了在同一个半导体衬底上同时集成光器件和电子器件的构想。,1987年，Yablonovitch和John大约同时提出了光子晶体（photonic crystal, PC）的概念。,2003年，科学家开发出制备纳米线的新方法。纳米线提供了尺度远远小于光波长的导光结构，它与有关纳米尺度的微腔和激光器的技术配合，可望用于制作各种纳米光集成器件。,目前，集成光学主要是研究和开发光通信、光学信息处理、光子计算机和光传感等所需要的多功能、稳定、可靠的光集成体系和混合光电集成体系等。,1970年研制成功了低损耗光纤，目前光纤的传输损耗已经降低到了0.2dB/km以下。,1.3.2发展新特点,(1)集成光学已从实验室走向生产阶段，从初期的纯波导理论研究进入集成光学器件和集成光路的设计、制作研究阶段。,(2)已从单一的玻璃或铌酸锂材料发展到今天的多种材料，特别是硅基和聚合物基材料的开发为集成光学进入工程应用打下了基础。,(3)以IIIV族半导体为衬底的集成光学达到迅猛发展。,(4)目前集成光学已进入实质的工程应用，光通信和光信息处理是集成光学两大类重要应用领域。,1.3.3 集成光学国际研究进展,主要集中在理论与器件两个方面：,1. 理论研究热点主要集中在以下两个方面：,1）围绕新型集成光学器件的结构设计、功能模拟与特性参数的计算等是目前集成光学理论研究的一个热点。,理论上对于集成器件的结构和性能模拟通常使用计算机辅助设计与数值计算的方法，如传递矩阵法（TMM）、光束传播法（BPM）、时域有限差分法（FDTD）和有限元法（FEM）等都有效地用于集成光学器件的模拟与计算，并用于实现集成器件结构的优化。,设计方法有两类：一是从基本原理入手，设计具有一定功能的光学器件；二是直接从功能角度出发，以提高器件性能，减少器件损耗，或者使器件性能具备特色等。,对于集成光学器件特性参数的分析是理论研究的另一个热点，研究其特性参数及其相互关系，分析其中相互作用，有利于深入剖析物理概念。,2）基础理论研究,主要集中在两类：一是基于固体物理学的基本理论和方法，研究和探讨制作微观集成光学器件的可能性；二是基于波动光学的理论和方法，从导波光学的角度来研究集成光学器件。,2. 集成光学器件的研究进展,1）目前大部分集成光学器件的研究仍集中在光通信领域：高速响应、低啁啾、单稳频集成激光器，可调谐激光器，多波长DFB激光器阵列，窄带响应可调谐集成光子探测器，高速单片集成光接收器，AWG,2）集成光学传感器,3）其他集成光学器件：MEMS，混合集成光隔离器，聚合物光波导光束偏转器等,4）纳米光子学,1.4 研究集成光学的意义,人类进入一个高度信息化的社会，由Tb/s信息传输、Tb/s信息处理和Tbit信息存储所构成的三“T”模式将成为人类数字化生活最显著的标志。,信息光电子技术也是保障国防安全的核心技术之一。,光电子技术在未来的信息社会中必将扮演重要的角色，将成为21世纪的基石和支柱之一。,集成光学作为现代光电子学的一个重要分支，各国从事光电子、光信息系统研究的专家、学者都意识到了集成光学系统的重要性。,1972年由美国光学协会(Optical Society of America)主办召开了集成光学主题会议（Topical Meeting on Integrated Optics），这是关于集成光学研究的第一次会议，具有深远的意义；后改名为Integrated and Guided Wave Optics（IGWO）；1990年起又更名为Integrated Photonics Research（IPR），每年召开一次。,第一届集成光学和光纤通信国际会议（IOOC）于1977年在日本东京召开，从此每隔一年召开一次。,日本把OEC（Optoelectronics Conference，光电子学会议）作为日本国内的会议，从1986年起隔一年召开一次。,欧洲每年还要召开欧洲集成光学会议ECIO（European Conference on Integrated Optics）。,我国，集成光学的研究是从1970年开始的，发展也十分迅速。1981年召开第一届全国集成光学学术会议，此后，每隔一年召开一次。1986年，我国启动的“863”计划中，将光电子器件及其集成技术选为信息领域的三大主题之一。从1986年至今，国家自然科学基金委员会给光电子研究给予了大力支持，所资助的项目大约200多项，其中包括有源和无源器件及其集成相关的理论、方法、材料研究、器件与制作工艺研究及集成光学系统研究等。,973计划支持的光电子研究项目（一）19982007年,973计划支持的光电子研究项目（二）2010年项目,序号,项目名称,申报单位,首席科学家,1,新型光电子器件中的异质兼容集成与功能微结构体系基础研究,北京邮电大学,任晓敏,2,超高频、大功率化合物半导体器件与集成技术基础研究,中国科学院微电子研究所,刘新宇,3,超高速超大容量超长距离光传输基础研究,武汉邮电科学研究院,余少华,4,重大灾害信息获取光纤传感网络及器件基础研究,华中科技大学,姜德生,5,新一代光纤智能传感网与关键器件基础研究,天津大学,刘铁根,6,光电功能晶体结构性能、分子设计、微结构设计与制备过程的研究,南京大学,王牧,7,氧化锌掺杂及相关器件的基础物理问题研究,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,申德振,8,纳米磁性自旋存储器和半导体硅量子点存储器的研制及其器件物理研究,中芯国际集成电路制造(上海)有限公司,季明华,将从事光电子器件和光信息系统的专家、学者结合起来，研制所谓的“集成化系统”（integratd system）已成为美国信息光电子研究的一个新的动向，集光机电于一体的“芯片系统”（system on chip）也将由梦想变为现实。,日本政府也将集成光学研究列在十大优先发展技术的范围之内。,随着光子集成、光电集成和微型光学电子机械等技术的发展，器件与系统之间界限的模糊化，将大量的光子器件、光电子器件和电子器件集成在一个很小的芯片上，甚至将相当复杂的含有这些器件的通信、信息系统集成在一个很小的芯片上，均已逐渐成为可能。,