集成光学考试总结.docx

第一章1 集成光学的分类：-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2. 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的特性和制造技术以及与微电子学相结合的学科 集成光学的主要应用光纤通信，光子计算机，光纤传感4. 集成光学系统有什么优点？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2） 集成光路与集成电路的比较把激光器、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。

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第二章1. 光波导的分类（a） 平板波导（slabwaveguide）（b） 条形波导（strip waveguide）（c）圆柱波导（cylindrical waveguide）2. 会利用射线光学方法分析平板波导的覆盖层辐射波、衬底层辐射波和传导波的形成条件均匀平板波导的波导层折射率虬衬底折射事寿覆盖层折射率为都是常数折射率机-璀①之间满足以下关系；?7. > > n.若液#属非4称型，相应存在曲个临界角三一个是使咒纹在'波#-村底界面 发牛个内反射的综，另一个是使光翠在波导-甚盖房界面发4全内R射的 倪〈耳12，凡形成覆盖层雅射波?g %二且方> 8盘匚f 成恃导波或导 W -e〕时麒啤牲包层射■底n21 .波矢的横向分量把波矢分解为平行于波导的分堂【相位常数为|3）和垂宜于波导的分量〔相位常数为h）,三者关系为,蛙忒—伊_护§ =由% sin$h -上削 cos 6?波在波导中能壕传播的必要条件是，在同一等相位面上所有 各点必须是同相位的，叩光线1上的A点和光线2上的C点及光 线2上的D点与光线1上的B点都处于同一等相位面上,宣们分 别有相同的相位，因此，光线从A点传播到R点的相位变化， 与光线从。

点传播到D点的相位变化之差,应是2 "的整数倍TE、TM模的本征模方程（色散方程）是什么？ TE、TM模的截止波长（截止频率）、波导截止厚度的表达式？为 什么对称波导的基模不存在截止频率？2.横向共振（transverse resonance）平板波导中能形成导模的条件为2hw - 2性-2俗小=2wr蔬一模的防教（阶次｝,取从零汗始的清崖个正整数：3. 本征模方卷hw -顽+啊=+啊称为平板波导的模方程（模式本征值方程），或平板 波导的色散方程-时于TE波，本征值方程为Mr = m?r 十 arctan — 1 + arctan -I | uJ |式中k =（血“吁,p =（伊-血下诚=（三-铜V 对于TM波，本征值方程为hw- 4-arctan ^--― + arctan 典3心 顷;导模的传播常数P介于衬底和律膜的波数之间，即定义波导的有效模折射率】其取值范围为怂5咿＜"1截止区t p >衬底辐射条件：Wj <^

于是上、下界面的反射相位角对于TE波分别为..N sm S.-rt2 arctan : 珥 COSS.\ 1 , J3 -响对于TWI波则有而啊w =0TE波的色散方程变为1c—- r越- w ¥ 八…w 版 Jtr 一拒 =M7i + arc tan ，治=0. L 2故某一模式的截止波长为垣 jt+ aictaii同理'TM波的截止波长为当波长大于截止波长时，波不能在波导中传播，即被截止"迁首’△.'■•顷〉.页TB戒的E1U号里.豆W，、J况模的ftL归度 k^r Jtj.I *对于任一形式的介质波导，均可以绘出色散特性曲线▼在其 中传输的模式'并可以根据（W人）值很快得出哪些模式在传 播，哪些模式被截止C对于基模，有U' _ 1kAjim &而一忒arctan对于非对称波导，其基模有其截止频率，低于这一频率导波 就被截I匕 不再有波在其中传播工而短率高干基模截出瓶率. 低于其他模式的截止频率时，波导是单模波导，即在波导中 只传播基模，当频率超过其他波型的截止频率时，波导则为 多模波导.其中传输着几种波型对于对称波导，基模的色散方程变为峨J苛~^2 =0即说明对称基模不存在截止频率，任何频率光波均可在对称 波导中传播n当波导尺寸比较大，或者入射光波频率较高'则发生寥模传输，波导传输模的数量，由色散方程求得。

对于对称波导，色散方程变为m7V + arctaiimn + arctaii波导截止厚度为A叫 : 2截止频率为c对于砌波导㈢_2底3当伊二（X基模）,4 t皿说明基模不存在截」I■频率, 任何频率均可传播-2.3.6 TM波的模式分析和截止条件4会求给定平板波导所能传输的模式?6.单模传输卸模数量如果I作波长出主模式（厄模〕曲截ii波廿要知, m依鼠祇阶模式（袖 止波长仅比主模式址 但比其余所右模式的映止波长要长〕的健止波长登长, 则杵此波守中R有主模式才能估描，其余所有的枳式梆是截II的. 单模传输条fi，（1排对耕波导中严格的单模传输条件为（2｝在工程实际中，可以认为作和7M口截止波长近似相等，因而 将单模传输条件放宽为，&（珥）（华）修）波导中可以传输的模式的数量，由截止时的特征方程以及传播条件A

可以从自由导波模中任选一种进行激励3. 不仅适用于平板波导，在条形波导的情况下也可以高效率地使用.4. 棱镜位置可即可离，能够在实验过程中调整以实现最大耦合强度.缺点：（1）棱镜与波导间隙以及入射光束的位置需要进行精心调整，缺乏稳定性2）棱镜耦合器所用的材料除应满足np〉们外，还要求对所用的光波长透明，无显著吸收与散射光栅耦合器功能与棱镜耦合器类似，用于实现自由空间和平面介质光波导之间的耦合，不同的是棱镜和间隙介质被光栅薄膜代 替光栅耦合器的优点：1） 不受光波导折射率大小的限制2） 可以选择所有导模中的任意一种进行激励3） 可以与波导集成震动或外界环境的变化，不会改变耦合效率，稳定性好，体积小，价格便宜4） 调整光束的入射位置时不需要特别严格的精度5） 也可以在横向进行同样的耦合，因此可以激励宽度非常大的波导光光栅耦合器的缺点：1） 由于光栅耦合与入射光角度的高度相干性，光栅耦合器不能有效地用于发散光束的耦合；2） 光栅耦合器设计过程需要进行复杂的理论计算，而且制作比较困难；3） 器件的参数在制作后无法进一步调整；4） 对于条形波导，光束截面的匹配比较困难尖劈形薄膜耦合器优点：制作简单，可以实现有效的输出耦合.缺点:用于输入耦合时，很难获得高的效率.第三章1. 光波导的调制内调制（直接调制）和外调制（间接调制）：内调制是利用调制信号直接控制激光器的振荡参数，使输出光的特性随信号而改变。

外调制是用调制信号作用于激光腔外面的调制器，产生某种物理效应（如电光、磁光、声光、热光等效应），使通过调制器的激光束的某一个参量随信号而变2. 光波调制相位调制，强度调制，偏振调制3. 会求电光效应引起的折射率的变化X 2 X 2 X 2 ,〜+—+—+An2 n2 n21 2 32Axx + 2A2 3x X + 2A1 3XX1 2在外加电场剧川码应.｝作用R折射率的改变量为外加电场对折射率椭球的影响以LiNbO3晶体为例：未加电场时，主轴坐标系中的折射率椭球为在外场作用下2 2 2X~ +V Z , ——I = 12 2% %(1}的增量为0000方1-& X13° 知尤1 °0 00 0J1〕 口 F△ 一， 一 一〃22瓦 +"马5 Ji “f &5 Jifi瓦:Z | \_/S+兀匹(1 )△ — 二/3 顷7d(1 \△ ^ = -四瓦5 L因此在外电场作用下，折射率椭球方程变为(1 「z 1 「广&&十作A户十茅十泾5十性旦\y十* m\ 5 /一2了51氐叫+ 2兀】瓦应一 2尸=1当申场方向为壬轴时，折射率郴球变为(1 )r +//m )沿己方向的由场并未引起折射率椭球主轴方向的变化，只是引 起主轴折射率变化'此时折射率椭球变为亍+尸十事? 2(% + 渤口) (％ +场)其中1 . „皿=—!就为弟当在V方向加电场时，折射率椭球方程变为(1 > ( J > I弟亍十「十阻凡”十十平点埒=1当在X方向加电场时，折射率椭球方程变为一 1,-(^ +/) + -.三一吼玲y + 机&zx = 1% A4. 声光效应的布拉格条件和Q判据？拉曼一奈斯衍射和布拉格衍射有何不同？根据声波和光波的波长以及相互作用区域的长度L的相对大小，存在两种声光衍射现象，即拉曼一奈斯(Raman—Nath) 衍射和布拉格衍射(1) 。

拉曼一奈斯(Raman-Nath)衍射此时声波频率较低，声波束宽度L较小，由于声速比光束小的多，在光束通过介质的时间内，折射率的变化可以忽略 不计，可以把声光介质看作相对静止的“面相位光栅”或“薄光栅"，此。