1、信息光電子技術作業 4/4光波導原理及器件簡介摘要：20世紀60年代激光器的出現，導致了半導體電子學、導波光學、非線性光學等一系列新學科的涌現。20世紀70年代，由于半導體激光器和光纖技術的重要突破，導致了以光導纖維通信、光信息處理、光纖傳感、光信息存儲與顯示等為代表的光信息科學技術的蓬勃發展，而導波光學理論是光通信技術的基礎，同時也是集成光學、光纖傳感等學科的基礎。本文簡述了光波導的原理，并著重介紹光波導開關。關鍵詞：光波導，波導光學，平面光波導，光波導開光1.引言1.1光波導的概念波導光學是一門研究光波導中光傳輸特性及其應用的學科。以光的電磁理論和介質光學特性的理論為基礎，研究光波導的傳光

2、理論、調制技術及光波導器件的制作與應用技術。導波光學系統是由光源、光波導器件、耦合器、光調制器及光探測器等組成的光路系統。光波導是將光波限制在特定介質內部或其表面附近進行傳輸的導光通道。簡單的說就是約束光波傳輸的媒介，又稱介質光波導。介質光波導的三要素是：“芯/包”結構，凸形折射率分布（n1n2），低傳輸損耗。光波導常用材料有：LiNbO3、Si基（SiO2、SOI）、-族半導體、聚合物等。1.2光波導的分類按幾何結構分類，光波導可分為：平面（平板）介質波導，矩形（條形）介質波導，圓和非圓介質波導。包層包層n2芯區n1圖1. 三層平面介質波導圖2. 矩形波導圖3. 圓光波導圖4. 橢圓光波導按

3、波導折射率在空間的分布分類，光波導可分為：非線性光波導（n=n(x,y,z,E)），線性光波導（n=n(x,y,z)）。線性光波導又可分為：縱向均勻（正規）光波導（n=n(x,y)），縱向均勻（正規）光波導（n=n(x,y)）。2.光波導的原理簡介一種為大家所熟知的介質光波導就是通常具有圓形截面的光導纖維，簡稱為光纖。然而，集成光學所注重的光波導往往是平面薄膜所構成的平板波導和條形波導，這里，我只討論平面光波導。最簡單的平板波導由三層材料所構成，中間一層是折射率為 n1的波導薄膜，它沉積在折射率為 n2的基底上，薄膜上面是折射率為 n3的覆蓋層，一般都為空氣。薄膜的厚度一般在微米數量級，可與光

4、的波長相比較。薄膜和基底的折射率之差一般在10-1和10-3之間。為了構成真正的光波導，要求n1必須大于 n2和 n3，即 n1n2=n3。這樣，光能限制在薄膜之中傳播。假定導波光是相干單色光，并假定光波導由無損耗，各向同性，非磁性的無源介質構成。光在平板波導中的傳播可以看作是光線在薄膜基底和薄膜覆蓋層分界面上發生全反射，在薄膜中沿 Z 字形路徑傳播。光在波導中以鋸齒形沿Z方向傳播，光在x方向受到約束，而在y 方向不受約束。在平板波導中，n1n2且 n1n3，當入射光的入射角1超過臨界角0時：入射光發生全反射，此時，在反射點產生一定的位相躍變。我們從菲涅耳反射公式：出發，推導出反射點的位相躍變

5、TM、TE為：式中： =k0 n1 sin1為光的傳播常數，k0= 2為光在真空中的波數， 是光的波長。要使光在波導中穩定的傳播,就要求：其中： k=k0n1cos ,12、13為全反射的相位差，h 為波導的厚度，m 為模序數，即從零開始的正整數。所以，只有入射角滿足上式的光才能在光波導中穩定地傳播,我們其叫做平板波導的色散方程。根據這些公式可得到與兩種偏振態有關的平板波導模式本征方程。3.光波導的器件舉例光波導是集成光學重要的基礎性部件，它能將光波束縛在光波長量級尺寸的介質中， 長距離無輻射地傳輸。平面波導型光器件，又稱為光子集成器件，是多類光器件的研究熱點。目前，光通信應用最多的平面光波導

6、器件主要包括有 : 各類光耦合器、平面波導陣列光柵、大端口數矩陣光開關、陣列型可變光衰減器、可調諧光濾波器、可調諧增益均衡器等。此處我主要介紹大端口數矩陣光開關。平面波導型開關主要包含熱光開關、電光開關和全內反射型開關。熱光開關是利用硅波導的熱感應折射率變化制作的，其 M-Z 腔由二個3dB 耦合器和二個波導臂組成的，其中一臂上加有熱光相移薄膜加熱器。通過受熱和非受熱實現開關功能。電光開關與熱光開關的波導結構相似，但采用電折變效應來實現對波導臂的光程差調制。由于Si材料為中心反演對稱結構，泡克爾效應極弱，電光系數很小，因此難以利用場致折變效應，只能利用 Si材料中的等離子色散效應，于是 Si

7、波導層中需要制備 p-n 結，以實現高濃度載流子的注入。InGaAsP/InP 材料有較強的泡克爾效應和較大的電光系數而成為該類開關的研究熱點 。全內反射型開關又叫氣泡開關，利用了熱毛細現象。是在波導的交叉點上垂直形成窄矩形槽，槽內封入少量折射率匹配油，薄膜金屬加熱器淀積在槽的端上，通過加熱使槽內的油產生氣泡以改變波導交叉點的折射率來實現開關功能。參考文獻：陳昊. 平面光波導器件的發展. 信息技術, 2010,175 -178.劉光燦, 白廷柱. 平面光波導器件及應用分析. 光電技術應用，2005，20（3）:45-20.催鳳林. 光集成器件. 北京：科學出版社,2002 ./view/858008a326fff705cd170a11光波導原理與器件概述/