平面介质光波导和耦合模理论

,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,浙江大学光电系,第二章 平面介质光波导和耦合模理论,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,浙江大学光电系,第二章 平面介质光波导和耦合模理论,*,浙江大学光电系,第二章 平面介质光波导和耦合模理论,1,第二章 平面介质光波导和耦合模理论,浙江大学光电系：时尧成,浙江大学光电信息工程学系,集成光电子器件及设计,浙江大学光电系,第二章 平面介质光波导和耦合模理论,2,第二章 平面介质光波导和耦合模理论,平面介质光波导（光波导理论）,光波导的结构；平板光波导，条形光波导，阶跃折射率光波导，渐变折射率光波导；,模式，导模，基底模，辐射模，传播常数；,平板光波导中的,TE,模和,TM,模；,条形光波导中的 模和 模；,耦合模理论,模式耦合，平行耦合，反向耦合的概念；,平面介质光波导的耦合模微扰理论；,导模之间的耦合，导模与辐射模之间的耦合；,定向耦合器和分支,Y,波导；,浙江大学光电系,第二章 平面介质光波导和耦合模理论,3,2.1,平面介质光波导,2.1.1,平面介质光波导概述,什么是集成光学？,平面光波导概述,2.1.2,平板光波导的分析方法,射线光学法,波动方程法,2.1.3,条形光波导的分析方法,马卡梯里法 等效折射率法,数值方法,目前，“集成光学”的概念涵盖广泛的内容。,1969,年美国贝尔实验室的,Miller,博士,（,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,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：,概念的提出,什么是集成光学？,从四个方面理解集成光学的概念：,理论基础,光学,光电子学,工艺基础,薄膜技术,微电子工艺,主要目的,实现光学系统的薄膜化、微型化和集成化,主要应用,光纤通信,光子计算机,光纤传感,光学信息处理等,集成光学的分类,按集成的方式划分,个数,集成,功能,集成,按集成的类型划分,光子,集成回路（,PIC,）,光电子,集成回路（,OEIC,）,按集成的技术途径划分,单片,集成,混合,集成,按研究内容划分,导波光学,集成光路,浙江大学光电系,第二章 平面介质光波导和耦合模理论,7,个数,集成,功能,集成,电子学的发展过程：从真空管器件的真空电子学,以晶体管为基础的固体电子学,以集成电路为标志的,集成电子学,。,光子学也将有类似的发展过程：多元化的各种类型的激光器、光电探测器，并将向以微纳光子器件及光子集成器件为标志的,集成光学,的方向发展。,集成电子学和集成光学,8,集成光学正经历着于集成电子学同样的发证轨迹：,更小的单个器件。,更紧密的集成。,更低成本的加工工艺。,intel 4004,1971,IBM CELL,2005,transistor radio,1954,分立元件,集成光学芯片,纳米集成光学芯片,集成电子学和集成光学,9,但是,集成电路（,Electronic Integrated Circuits,）。,1958,年发明,60,年代：导弹制导芯片，小规模集成电路,70,年代：计算器，中大规模集成电路,集成光路（,Photonic Integrated Circuits,）。,1969,年发明,1995,左右：商用,AWG,波分复用器,n,包层,),光纤,1870,年，英国物理学家丁达尔,太阳光随着水流发生弯曲,n,水,n,空气,，光发生全反射,光纤的发展,2024/10/16,19,“,Father of Fiber,Optic Communications,“,Charles Kuen Kao,K.C.Kao,G.A.Hockham(1966),Dielectric-fibre surface waveguides for optical frequencies”,Proc.IEEE,113,(7):11511158.,2009 Nobel Prize winner“,for groundbreaking achievements concerning the transmission of light in fibers for optical communication”,光纤的发展,浙江大学光电系,第二章 平面介质光波导和耦合模理论,20,1966,年，高锟和霍克哈姆发表的,用于光频的光纤表面波导,奠定了现代光通信的基础。高锟被尊为光纤之父,。,1970,年，美国康宁公司制出对,0.6328,m,波长的损耗为,20dB/km,的石英光纤，从此介质波导在光纤通信、传感等领域得到了广泛的应用。,之后爆炸性发展，从光纤损耗看,1970,年，,20dB/km,1972,年，,4dB/km,1974,年，,1.1dB/km,1976,年，,0.5dB/km,1979,年，,0.2dB/km,1990,年，,0.14dB/km,接近石英光纤的理论损耗,0.1 dB/km,短短几十年之内，全世界铺设的光纤总长度已超过,10,亿,公里，足以绕地球赤道,2.5,万,次,浙江大学光电系,第二章 平面介质光波导和耦合模理论,21,浙江大学光电系,第二章 平面介质光波导和耦合模理论,22,平面光波导型器件,优点,:,低成本,小尺寸,高稳定性,适合于大批量生产,抗电磁干扰，同时光制作工艺与集成电路工艺相兼容，可以方便与其它光电子集成器件集成于一个衬底上，实现单片集成等等,浙江大学光电系,第二章 平面介质光波导和耦合模理论,23,平面光波导型器件,浙江大学光电系,第二章 平面介质光波导和耦合模理论,24,在波导的包层中仍然存在光波的传输（倏逝波），但由于波导的限制作用，光束不会像在自由空间中那样发散,光波的传输,浙江大学光电系,第二章 平面介质光波导和耦合模理论,25,平板波导,条形（矩形）波导,n,high,n,low,n,low,n,high,n,low,脊形波导,n,high,n,low,n,low,1-d 光限制,2-d 光限制,cladding,cladding,core,core,cladding,阶跃折射率光纤,渐变折射率(GRIN)光纤,core,cladding,平面光波导的分类,浙江大学光电系,第二章 平面介质光波导和耦合模理论,26,光纤的折射率分布,单模光纤,(Single-mode Fiber),：一般光纤跳纤用黄色表示，接头和保护套为蓝色；传输距离较长。,多模光纤,(Multi-mode Fiber),：一般光纤跳纤用橙色表示，也有的用灰色表示，接头和保护套用米色或者黑色；传输距离较短。,50/125m 62.5/125m,浙江大学光电系,第二章 平面介质光波导和耦合模理论,27,光波导折射率分布,折射率突变型（阶跃型）,SiO,2,，,SOI,，,InP,，,Polymer,渐变折射率波导,渐变折射率光波导,Ti,扩散,LiNbO,3,波导，,K,+,离子交换玻璃波导,2024/10/16,28,渐变折射率波导,其中,n,0,为基片折射率，,n,为扩散引起的最大折射率变化，,w,为扩散源的横向宽度，,h,x,、,h,y,分别为横向、高度方向的扩散深度,浙江大学光电系,第二章 平面介质光波导和耦合模理论,29,首先在铌酸锂基体上用蒸发沉积或溅射沉积的方法镀上钛膜，然后进行光刻，形成所需要的光波导图形，再进行扩散。可以采用外扩散、内扩散、质子交换和离子注入等方法来实现。,其中,浙江大学光电系,第二章 平面介质光波导和耦合模理论,30,光波导材料,Si substrate,Core-SiO,2,:Ge,浙江大学光电系,第二章 平面介质光波导和耦合模理论,31,2.1,平面介质光波导,2.1.1,平面介质光波导概述,2.1.2,平板光波导的分析方法,射线光学法,波动方程法,2.1.3,条形光波导的分析方法,马卡梯里法,等效折射率法,数值方法,浙江大学光电系,第二章 平面介质光波导和耦合模理论,32,平板光波导,平板波导通常由三层介质组成,导波层：中间层，介质折射率,n,1,最大,覆盖层：上包层，折射率,n,3,n,1,衬底层,:,下包层，折射率,n,2,c,Critical Angle,TIR,Evanescent Wave,o,Incident Light,Reflected Light,Refracted Light,n,1,n,2,R,n,2,n,2,波导内入射角,q,c,全反射形式稳定传输,波导的数值孔径,如果将光耦合进入波导稳定传输，那么在空气中的入射角应满足什么条件,最大入射角,可以从,Snells,定律求得,数值孔径,:,波导的数值孔径,光要想耦合进入波导稳定传输，入射角必须小于某个值,0,，但是否只要小于该角度就能稳定传输呢？,浙江大学光电系,第二章 平面介质光波导和耦合模理论,40,平板波导的色散方程,式中,m,是整数，代表不同的模式,真空中波矢,要维持光波在导波层内传播，必须使光波在导波层上、下界面之间往返一次的,总相移为,2,的整数倍,。上、下截面全发射相移分别为,f,13,、,f,12,，则可得到平板波导的模方程：,只有满足这个条件（本征方程）的光才可能稳定传输。每个,m,取值代表本征方程的一个解。,思考：该方程中各字母的物理意义,是相位,的单位,1,、,2,界面反射时产生的相位,1,、,3,界面反射时产生的相位,光波前进过程中的相位变化,思考：光在,1,、,2,和,1,、,3,表面全反射时分别产生了一个附加相位，为什么？,思考：全反射时发生的相位变化大小怎么求？,只要想到反射折射的大小变化，首先想到菲涅尔公式,全反射相移,当全反射发生时,根号为虚数，因此此时的反射系数为一复数,全反射相移,思考：全反射时的相位变化究竟怎么产生的？,思考：光在传输过程里如何产生相位变化？,相位不存在突变之说，相位的产生途径只有一个，即传输一段距离，即相位变化源自于,思考：从以上分析可以得到什么必然结论？,全反射时，光不是于入射点终止，而是,前进了一段又回来了,古斯汉森,(Goos-Hanchen),位移,在全反射发生时，实际入射光会部分进入光疏介质，形式上相当于反射点相对入射点有个偏移距离,浙江大学光电系,第二章 平面介质光波导和耦合模理论,47,平板波导的本征方程,对于,TE,波,，全反射相移为,对于,TM,波,