《光电子集成》PPT课件.ppt

长期以来，人们将分立光学器件固定在光具座或光学平台上缺点:体积大，笨重、稳定性差、光路调节难等，不适于大规模重复性生产。,集成光路和光电子集成,光导波现象的研究与理论的建立为发展包括波导棱镜、透镜、光栅、光耦合器等一系列导波光学器件奠定了坚实基础。做到了微型化，而且实现了平面化。,1969年 Miller 等首次提出“集成光学”(Integrated Optics，IO)的名称。,集成光学从基础研究转向应用研究最为突出的是对以铌酸锂(LiNbO3)晶体为衬底材料的光波导调制器的研究。,具有频带宽、调制电压低、功耗小、能与光纤以及其他导波光学器件匹配等优点，,所用的全部光学器件包括激光器与探测器并非采用同一衬底材料。,按照所用衬底材料的种类划分，集成可以分为两大类型。,混合集成,单片集成,它的全部光学器件乃至电子学器件都集成在同一衬底材料上。,像光纤传光一样，为了将光约束在波导里传输，要求n1必须大于n2和n3，即n1n2n3。对于n2=n3的波导，通常称为对称平面波导，而n2n3的波导称为非对称平面波导。,集成光学器件及其应用1.平面光波导传光原理1)、平面光波导的结构,平面介质光波导的基本结构图,波导层一般只有微米量级厚，可与光波长相比较，它与衬底的折射率相差大约10-310-1。,2)、平面光波导传光原理,n1为波导层折射率，n2、n3分别为衬底和包层折射率，有n1n2n3。光从光密(折射率大)介质进入光疏(折射率小)介质时存在一产生全反射的临界角，当光线的入射角小于临界角时，光线将从光密介质折射进入光疏介质，仅当光线入射角大于临界角时才可能在界面上产生全反射。,光线在平面波导中传输,图(a)的辐射光线称为“包层辐射模”，图(b)的辐射线称为“衬底辐射模”，图(c)的光线称为“导模”。,平面光波导的性能主要是指它的 传播模式 传输损耗 色散 输出光场分布等,平面光波导的性能与分析,一、平面光波导的传播模式,在图1中，光只在x方向受到限制。实际应用中，除了x方向外，光在y方向还受到限制，它只能沿z方向传播，这样的光波导我们称为三维波导或条波导，如下图所示。对于二维即平面波导，凡是满足全反射条件入射而保持在波导里传输的光，对应波导的一个传输模式，而且在一定波长下，随着波导层厚度的增加所允许传输的导模数量也增加。对于一定波长的光来说，当非对称波导的厚度下降到某一值后，光波不再可能在波导里传输，我们把波导层的这一厚度称为波导截止厚度。,对于给定厚度的波导，当波长增加到某一值后，光波不再可能在波导里传输，我们把这一波导厚度下的光波长称为导模的截止波长(或频率)。这是非对称平面光波导所特有的性能。对称平面光波导与光纤一样不存在波导截止厚度与导模截止波长(或频率)的现象。,图3 三维波导结构 图4 m=0、1、2、3时的TEm、TMm场形,二、平面光波导的传输损耗,集成光学所应用的光波导长度一般只有几个厘米长，因此对平面光波导的损耗要求不高。一般能达到1dBcm大小的损耗就能提供应用了。平面光波导损耗由单位长度波导下光功率衰减量表示，即光波导的衰减系数()为()=(1L)10lg(p2p1)(dBcm),式中，p1、p2为光波导输入与输出光功率；L为波导长度。,平面光波导的损耗主要决定于 材料的损耗 波导表面散射 波导工作模式 对于单模平面光波导则主要由前两者决定。平面光波导的材料损耗主要包括吸收损耗与散射损耗两部分。前者决定于所选用的光波导材料，后者决定于材料的散射损耗，更主要决定于波导制作中形成的晶体大小与均匀性以及内部缺陷，特别是波导表面的光洁性。,所以，平面光波导的损耗除与材料有关外，很大程度上还与制作工艺有关。目前所应用的LiNb03材料光波导，用钛(Ti)扩散工艺可作到损耗115dBcm，质子交换工艺可作图6波导表面到1dBcm甚至更低。,图6波导表面畸变引起的散射,图6为表面散射的示意图。引起表面散射的根本原因是波导表面的几何畸变，它使一部分导模耦合成辐射模而产生损耗。,表征平面光波导传输特性的一个重要参量就是其相位传播常数()，系指光波在波导里单位传输距离下相位的变化。不同的传输模式有不同的，一般基模的最大，而TE模的大于同一模序下TM模的。平面光波导的色散特性 即是指在一定波导结构(尺寸、折射率分布)下，随光波长变化的关系。随着传输光波长的增大，将减小。,三、平面光波导的色散特性,在集成光路中传播常数的确定之所以重要，其最主要原因是几乎所有集成光学器件(又称导波光学器件)都需要根据的大小来进行设计。一旦波导结构与工作光波长设定，值就得到确定。为了求解值，通常借助计算机求解反映导模特征的色散方程。,集成光路通常是由光波导将导波光学器件连结在一起构成的，而且它常常与外部光纤进行连接。为了保证光波顺利地传播,在连接处避免产生不应有的辐射或反射损耗，了解波导输出光场的分布是很有必要的。,四、平面光波导输出光场分布,研究平面光波导传输光场的方法有两种。一种是理论分析计算方法，其中一种称为光束传播法(BPM)，通过计算机求解可以得到传输光场分布的直观形象图形，如图7(a)所示，并得到了普遍应用。另一种方法是将光波注入光波导传播后借助测量仪器(如通过红外变像管配合CCD摄像机，或者带机械扫描装置的光电探测器)测量由波导输出的光强在空间不同位置的分布，如图7(b)所示。,图7平面波导输出光场分布(a)由BPM方法计算的传输光场分布；(b)由摄像法得到的输出光场分布。,根据所得到的光强(光场)分布，就能很好地进行波导与波导，波导与光纤以及波导与导波光学器件间的耦合与匹配。目前研究和已开发应用的平面光波导有多种结构类型。它可以按照构成波导的折射率分布形式，波导横截面结构以及选用的衬底材料来划分。,图中(a)为均匀折射率分布形式的光波导；图中(b)为具有渐变折射率分布形式的光波导。理论计算与实验研究表明，对于一定折射率分布形式，确定波长的光在这样的波导中传输时总会存在一确定的截止深度dm，不同模式具有不同的深度，基模的d0最小。光将在截止深度处反射回波导。,图8两种不同折射率分布形式的平面光波导,平面光波导也可以由三层以上的多层介质构成，图9给出一种既包含有均匀折射率分布又包含有渐变折射率分布的多层介质光波导结构与折射率分布。在集成光学中，条波导是应用最多的一种波导，按照波导横截面的结构形式有如图10所示的几种。条波导使传输的光不仅在深度方向而且在侧向也受到了限制。,图9多层介质波导 图10条波导（三维波导）的结构,3 无源光波导器件,集成光路由许多光波导器件构成。这些光波导器件大至可分为无源器件和有源器件。,无源光波导器件主要包括有类似光学元件的 波导棱镜 透镜 反射镜 光分束器 检偏器等，,类似微波器件的波导型定向耦合器滤波器光隔离器衰减器等。,一、定向耦合器,当两条结构相反彼此平行的光波导相互靠近到一定距离时就会产生光功率的交换。由此构成的光波导器件称之为光学定向耦合器。图(a)为平面波导型定向耦合器，(b)为条波导(沟道波导)型定向耦合器。,光学定向耦合器,这种“光学隧道”效应实际上是由一种叫做消失场的光场来完成的。在图11(c)中我们把波导1和2外的光场称之为消失场，当两波导彼此靠近时就产生了图中阴影部分，这是波导1和2的消失场重叠部分，正是这种重叠使得两条波导间彼此产生了光功率交换。,为什么当两条波导相互靠近时光波会从其中一条转换到另一条呢?,只要选取适当的L大小即可获得任意比例的功率分配。此外，定向耦合器的耦合长度与光波长和偏振态有关，因此利用这些特点，可以设计出选频(波分)器和选偏器。,图12定向耦合器用作表功率转换与分配,定向耦合器最关键的参数是耦合长度L0，它由描述两波导耦合强弱的耦合系数所决定。当两波导耦合区长度L等于耦合长度L0时，光功率可从一条波导向另一条转换。,当L=L02时，则只有50的功率转换，这即是通常所说的3dB功率分配器(图12)。,许多集成光学器件需要在单一偏振模式下工作。为此发展了光波导偏振器，它可以从输入光波中选择单一线偏振的导波光束，也可以从波导中耦合出单一线偏振光束。其中最简单的方法是在平面波导上沉积一层金属薄膜，形成所谓的金属包覆波导。,二、光波导偏振器,金属薄膜可以产生两种效应：一是使TE和TM导模的衰减系数有显著的差异。另一种是改变TE和TM模的截止条件。利用其中任何一种效应都可以进行偏振模式的选择。图13为一金属包覆对称平面波导截止偏振器。适当选择波导厚度d1与金属薄膜厚度d2，这样从金属包覆波导一侧进入的TE0、TM0波经过金属包覆波导后就只保留下TM0模，TE0模则因金属包覆波导的作用通过衬底辐射出去。,图13金属包覆对称平面波导截止偏振器,金属包覆波导偏振器的优点是结构简单，工艺制作方便，缺点是将带来一定损耗，因此包覆段都尽量做短。,利用光在平面光波导里传输的概念，可以设计出光波导透镜、棱镜和反射镜等，这些器件有时又称为二维几何光学器件，因为它们的工作原理满足二维几何光学的规律。,三、波导几何光学器件,在集成光学中，经常用到所谓“有效折射率”的概念，它常用符号N表示，实际上是表征光在波导里传播特征的量，与相位传播常数的关系为=(2)N 通常，光在折射率为n的均匀介质中传播时，相位常数为=(2)n。比较前后两个，可见N与n一样具有折射率的物理意义。,1二维几何光学概念,波导折射率n1和厚度d愈大，导模的有效折射率N也就愈大。因此，改变波导的折射率和厚度就可以使导模的有效折射率在波导平面上发生变化。如图14所示，利用楔形波导将折射率相同而厚度不同的两个平面波导连接起来，由于它们的有效折射率不同，因而在两个波导边界上发生折射或全反射。设波导和波导的有效折射率分别为N和N，光在波导中的入射角和波导中的折射角分别为和，则在波导平面上的折射定律可表示为,图14光在两个平面波导边界上的折射和全反射(a)俯视图；(b)剖面图。,Nsin=Nsin 若波导的薄膜厚度d大于波导的薄膜厚度d，则NN，这时在波导边界上发生折射；若改变光从波导的入射角，当增大到全反射临界角后，光在波导界面上即会发生全反射。图中，导模在楔形波导区内沿弯曲的光路传播，这是由于楔形波导厚度不断减小引起有效折射率不断减小的缘故。利用导模在波导平面上的折射和反射现象，也可以制作光波导形式的透镜、棱镜和反射镜。,2光波导透镜,导模折射率透镜是通过改变透镜部位波导材料折射率和厚度以增加或减少其有效折射率而形成的。图给出了几种模折射率会聚透镜结构。透镜边缘部分通常用楔形薄膜构成，可以防止模式转换、散射和反射损耗。模折射率透镜结构简单，但像差较大。,愣勃透镜，如图16将高折射率薄膜沉积在平面波导的薄膜上面或在薄膜与衬底之间。与模折射率透镜不同，它所沉积的高折射率薄膜厚度从圆心向边缘呈球面过渡。,波导短程透镜示于图17。与前两种透镜不同的是这种透镜是通过改变透镜区传播长度来实现其功能的。当导波光沿凹球面波导传输时，由于偏离中心轴的光线在透镜区光程较短从而离开透镜区后自动向中心轴偏移而产生会聚。,图17,图16,形成波导反射镜最主要的方法，有几何结构型、折射率分布型、光栅型以及棱镜型反射镜等。几何结构型反射镜结构如图18所示，它主要利用波导厚度变化来控制光的反射的。图中(a)为端面反射镜，它利用了波导端面的反射作用。对于Ag+离子交换波导临界角约42，而LiNbO3波导约27，反射率可分别达到100和80。图中(b)为劈形端反射镜，光线在反射镜的轨迹是逐渐过渡的。,3波导反射镜和棱镜,图18几何结构型波导反射镜,波导棱镜结构示于图19，其中三角形棱镜部位的有效折射率N1大于周围的有效折射率Ns。当一束导模光从周围波导区进入棱镜部位时发生折射，其折射光束离开棱镜部分时再次被折射。因此波导棱镜可以起到偏转导模光束的作用，因而它与普通分立棱镜作用完全相同。,图19波导棱镜,光波导形式的几何光学器件，虽然在制作工艺上尚存在一些困难，但其小型、轻便、可靠等优点愈来愈引起人们重视，特别是这些器件在信息处理系统中的作用，例如进行矩阵乘积、傅里叶和拉普拉斯变换以及相关运算等使其具有广阔应用前景，同时它们也是构成微型光学系统所必不可少的器件。,分支波导是集成光路中应用最多的器件之一，它担负着将主波导的光束(功率)分配给多个支路的任务。波导棱镜最多的是1N型，NN型分支波导。利用偏转光栅也能作光分路器。,四、分支波导,分支波导设计中主要考虑能量分配与辐射问题。对于12对称分支波导，过渡区张角很小即t1250，以此确定过渡区长度t，而分叉角B约160，这样可尽量减小辐射损耗。右图为直通型NN星形波导。,图20给出几种1N分支波导结构,集成光学调制器与光开关就是对波导里传输的导模光进行调制与开关。从光波被调制的参数来划分，除相位调制与强度调制外，还有偏振调制、频率调制等。,集成光学调制器与光开关,对于波导调制器，由于波导厚度与宽度都在微米量级，不需要多大驱动功率即可得到很大场强，因此它有很低的驱动功率，差不多比体调制器低一个数量级。正是由于波导微结构的特点，使得波导调制器有很高的工作带宽和高的工作效率。,一、电光波导调制器和开关,1相位调制器 图22为由条波导和波导两侧的金属电极构成。,图22 LiNb03电光波导相位调制器,当电信号加到电极上后，在两电极间产生电场，在电场作用下将使电极段LiNb03晶体折射率发生改变，使波导中导模的相位常数发生相应改变。,当波导里的光从电极一端进入电极段再出来，其输出光的相位也就作了相应变化。所加电信号的幅度愈大，引起的相位变化愈大，电信号变化愈快，产生的相位变化也愈快。,2强度调制器,(1)干涉式强度调制器图23为一种马赫然德干涉式强度调制器,是由两个偏振相同的调相波合成而实现强度调制功能的。在LiNb03衬底上一对平行对称的条波导两端各连接一个3dB的分支波导，条波导中间和两侧制作表面电极。,图23M-Z电光波导强度调制器,(2)定向耦合器式强度调制器 在耦合长度等于L0、能进行全部功率转换的定向耦合器的两个波导上，做上一对电极，则构成电光波导定向耦合调制器，如图24所示。当电极上施加电压后，两个波导内产生大小相等方向相反的电场，使一个波导的传播常数增加，另一个减小，出现相位失配，导致波导间功率转换大小改变，从而实现对光波的调制。,图24电光波导定向耦合调制器,采用一对电极的结构需精确控制波导长度等于耦合长度，且两波导严格相同，这在工艺上难于得到保证。为此，人们研究出了如图25所示的双电极以至于3电极结构，使其性能得到很大改善。,3光开关,当调制深度接近100时，强度调制器就可以当作开关来应用。因为作为开关来说，其消光比或光的通断比(有时又叫“串话”)能达到25dB以上时即可以满足应用的需要。目前，为了满足光纤通信中网络交换的需要，已经开发出44、88等光波导开关网络(阵列)。,为由16个定向耦合器组成的44LiNb03波导光开关网络。,图26 44光开关网络,二、声光波导调制器,它的衬底材料为同时具有良好声光性能与压电性能的LiNb03。为了在波导内激励声表面波，在波导表面制作了叉指换能器电极。当激励信号施加在换能器上后，由于压电作用将在晶体表面激励起与信号频率相同的声表面波。,图28平面波导声光偏转器,当波导里传输的光以一定角度穿越声波区后即会产生偏转。在一定输入信号频率下只要对声波进行强度调制即可实现对偏转光强的强度调制或产生开关作用。,图28平面波导声光偏转器,若连续改变输入信号频率从而改变声波频率，这时偏转光将会在波导中作扫描偏转。,所谓波导光栅，实际上是光波导受到一种周期微扰，它可以是表面几何形状的周期变化(如同传统光学中光栅)，也可以是波导表面层内折射率的周期变化，或者是这两者的结合，如图所示。波导表层的这种周期微扰可以是均匀的，也可以是非均匀的，例如是渐变的。,波导光栅器件与光逻辑器件一、波导光栅器件,波导光栅不仅是性能优良的半导体DBR、DFB激光器的重要组成部分，而且可实现光的输入输出耦合、偏转，模式转换、波分复用及滤波等，在光纤通信与光信息处理中都有许多重要应用。,图29波导光栅的各种形式,1波导光栅耦合器,把光从光源引入波导可以用棱镜耦合器和波导光栅耦合器。对于给定波长的光，只要选择适当的投射角即可将光耦合进波导传输；相反同样结构的光栅也可以将导波光耦合到自由空间。,图30棱镜耦合器 图31波导光栅耦合器,一般情况下，增大光栅的槽深可以提高光耦合效率即进入波导光强与输入光强之比。波导光栅耦合器对光波长具有选择性，不同波长的光具有不同的输入(或输出)耦合角，而且波导光栅的这种选择性比棱镜的更好。利用这一特性可以制作光谱分析器与传感器。图32为根据光栅耦合原理设计的一种变周期光栅输出耦合器，它可以将输出光进行会聚用于光互连。,图32变周期光栅输出耦合器,2波导光栅偏转器,波导光栅偏转器不仅可以进行光的偏转，模式转换而且可用于光频分离等。图33为一平面波导光栅偏转器，当光以入射角i从波导一侧射向光栅后，反射光将以d反射角从光栅沿波导输出。根据布喇格条件要求，对于给定波长的输入光，在一定的波导光栅结构下，只有一个确定的i与d。因此，波导光栅具有角度选择特性(光波长一定)与波长选择特性(输入角度一定)。,图33平面波导光栅偏转器,光栅的这些特性决定于它的结构参数，表征波导光栅性能的特征参量为耦合系数K与光栅长度L乘积。一般说KL大于3，光栅有高的偏转效率和较好的角度或波长选择特性。,图34 透射光栅偏转器 图35 变周期光栅偏转器,图34为一透射光栅偏转器，它与前面所介绍的声光偏转器相类似。图35则为一变周期波导光栅偏转器，它可以将不同波长的输入光一一分离开。,随着集成光学器件工艺技术的成熟，一些器件陆续走向商品化并开始在光纤通信系统、传感器系统以及信号处理系统中得到应用；,集成光学器件的应用,由几个导波光学器件构成的集成光路具有更完善功能，除光纤系统外，它们还在其他一些光电信息处理系统中发挥很重要的作用。,在无线电信号处理中，卷积和相关是两种重要的数学运算。由于处理的信息量很大，单凭计算机的运算很难快速，实时地完成这一工作。,信号处理中应用,集成光学的卷积器和相关器利用了光学方法的优点，它不仅具有一般集成器件体积小，结构稳定可靠的特点，而且具有动态范围宽，时间带宽积大等突出优点，因此在雷达等信号处理中有很大用途。,下图为一应用波导声光偏转器构成的卷积器原理结构。这是一种空间积分卷积器：,半导体激光器发出的光束经波导透镜准直后进入声光互作用区。在声光互作用区有两个相对放置的换能器，它们所激励的声表面波(SAW)彼此平行并沿相反方向传播。,这两个SAW具有相同频率并分别为相关信号Sl(t)与S2(t)所调制当入射光与SAW1相遇即产生偏转，其振幅受到Sl(t)调制。离开SAW1的光束又与SAW2相遇，再次发生偏转。从声光互作用区输出的偏转光经透镜会聚到光电探测器上形成光电流。显然，经过两次偏转的光束其光强与Sl(t)和S2(t)乘积成正比。这样，由探测器接收的光能所产生的光电流正好与两信号卷积成正比。,作业,1.OEIC，IOC，混合集成，单片集成的含义？2.光波导定向耦合器，偏振器的工作原理是什么?3.波导光栅器件的工作原理?4.集成光学电光波导和定向耦合器式强度调制器的基本原理?,课程考试成绩构成：10%激光应用综述30%期中闭卷10%（光电子学应用小论文）40%期末闭卷10%作业。,光电子学,稳频，非线性光学 光电子学中涉及的英文缩写的释义 电光效应、声光效应、磁光效应的应用 激光相关的概念和性质,光电子学中涉及的基本概念基本效应(10分),光电探测种类的划分光电特性参数和噪声内外光电效应,光电导 光生伏特现象光电倍增管,光敏电阻,光电二极管,太阳能电池等的工作原理等效电路和相应的性能及参数电荷耦合器CCD相关概念及原理,光电探测部分(15分),光存储等离子体显示光纤传输基础集成光学,相关概念和基本原理（15分）,2009年12月23日期末考试分三个教室,欢迎同学们报考光电子技术研究所 研究生！,感谢同学们对光电子学课程 教学的大力支持!,祝愿同学们获得优异的学习成绩!,祝愿同学们事业有成，生活美满如意!！,