第6章集成光学ppt课件.ppt

第六章 集成光学6.1 集成光学的光传播实际1.消逝场：介质波导中，场要穿入光约束层内一定深度2.光波导构造 n2>n3>n1界面全反射，锯齿波z向传播,分解为两个分量,相位常数分别为β、γ, k02 n2 =β2+γ23.相位突变界面全反射时，反射波要产生相位突变对TE波对TM波其中p、q为消逝系数反射波发生相位突变的物理意义反射波发生相位突变的物理意义全反射时，光穿入约束层内一定厚度，导全反射时，光穿入约束层内一定厚度，导致反射波与入射波相位的不延续致反射波与入射波相位的不延续古斯古斯-汉兴位移：反射光横向挪动了间隔汉兴位移：反射光横向挪动了间隔光线穿入介质层光线穿入介质层1中的厚度中的厚度穿入介质层穿入介质层3中的深度为中的深度为1/p, 波导的有效波导的有效厚度厚度3.相位常数γ的波横向传播，构成驻波，建立横向共振条件即m是导波的模阶数，不同的m，对应一系列的β该方程称为方式方程〔特征方程、本征值方程〕4.对称波导，非对称波导，强非对称波导5. 波导中光波的传播，对于TE波，解动摇方程解的方式Y方向，波不受约束，场与 y无关得到方程组区域1区域2区域3边境条件：Σ(x)和 在1-2，2-3界面处延续 讨论1. β > k0n2，三个区域内， Σ(x)为指数函数，没意义。

2. k0n2>β>(k0n3,k0n1),区域1，3内Σ(x) 为指数函数，2内为正弦函数能量被限制在层2内，称为束缚模或导模3. k0n3>β>k0n1，区域1内Σ(x)为指数函数，2，3内为正弦函数称为衬底辐射模4. (k0n3, k0n2 , k0n1) >β,三个区域内， Σ(x)为正弦函数，称为波导辐射模结论：导模存在的条件：k0n2>β>(k0n3,k0n1)利用边境条件解得其中区域1，3中场是指数衰减的，衰减的快慢分别由q、p决议， q、p值越大，衰减越快，穿透深度越小同时得到这与〔6.1.1〕方式方程是一致的6.截止条件对于厚2w的对称波导波导层2中，随着θ的添加， β值减小，直到β=k0n3 ，界面2-3不再产生全反射，此时就是导波截止条件     厚度2w的对称波导传导m阶导模的必要条件： 由波导中场分布图比较可知(图6-4，6-5〕：厚度2w的对称波导 m=2M+1阶导模场分布沿x中心分一半，与厚度w的非对称波导M阶导模场分布近似一样 厚度w的非对称波导中传播M阶导模的截止条件与厚度2w的对称波导中传播 m=2M+1阶导模的截止条件一样 厚度w的非对称波导中传播M阶导模的截止条件*Δn~λ; Δn~w; Δn~M6.2 薄膜器件原理6.2.2 薄膜激光器薄膜激光器要求：效率高，功耗低；性能；鼓励简单；容易耦合。

鼓励方式：电鼓励，光鼓励受激发射时的活性物质：染料、固体：Nd3+离子、半导体：GaAs GaxAl1-xAs光反响：解理面、分布反响、周期构造1.半导体激光器的根底知识半导体的能带构造〔a)费米-狄拉克统计分布：热平衡下，一个电子占据一个能量为E的能级的几率：半导体加正向电压时的能带构造(b)势垒降低，导电性添加半导体激光器中，要求高掺杂，费米能级进入价(导)带内部加正向电压时，势垒降低为e(Vd-V)费米能级分别eV=EFn-EFp当EFn-EFp>Eg,,即导带能级为电子占据的几率大于价带能级为电子占据的几率粒子数反转条件导带中的电子向下跃迁到价带，与价带中的空穴复合产生受激辐射半导体激光器的解理面反响同质结；异质结；双异质结2.双异质结半导体激光器3.生长台面型激光器图6-8中6:p-GaAs5:p-AlxGa1-xAs4:p-GaAs3:n- AlxGa1-xAs2:外部波导1:光约束层4.分布反响技术布拉格反射分布反射光栅中得到光栅周期一定时，只需该式确定的特定波长的光才干遭到剧烈的反射m=1，一级光栅m=3，三级光栅* 解理面反响激光器中，发射光谱多个峰值分布反响激光器中，一个峰，可选纵模λ〜 Λ1)集成DFB(分布反响)激光器a.P型杂质分散或注入n- Ga1-xAlxAs的部分区域内，构成层p- Ga1-xAlxAs ，从而构成p-n结b.正向大电流注入→有源区光放大，再经过分布反响构造光反射(100%) →产生激光直接耦合入n- Ga1-yAlyAs波导层中传播。

有晶格缺陷，构成复合中心，添加损耗2)集成DBR(分布布拉格反射式)激光器光栅不在反转区，而是做在有源区外面的波导层上光栅被分成两部分，分别处于有源区两端6.2.3 薄膜耦合器内耦合：波导波导外耦合：输入输出波导要求：耦合效率；集成化1.内耦合类型及其运用a.尖劈薄膜耦合器构造原理：导波沿锯齿途径到尖劈区域，每一次反射的入射角比上一次减小，假设干次后，入射角小于全反射角，构成基底模〔衬底辐射膜〕从衬底输出b.波导定向耦合器平行放置，间隙小，消逝场耦和2.外耦合类型及其机制a.直接耦合：利用一透镜将激光束聚焦，直接照射到波导的端部效率低：薄膜薄，端面不平b.棱镜耦合器棱镜耦合器提高了耦合效率：耦合提高了耦合效率：耦合方式方式延续耦合延续耦合构造：构造：n3>n1>n4>n2原理：当原理：当θ3>θ3c时，时，入射棱镜激光束入射棱镜激光束A3与棱与棱镜底部反射光镜底部反射光B3合成驻合成驻波场波场→分散到空气隙，分散到空气隙，按按exp[-(k0n3sinθ3)x]衰减衰减→继续分散到薄膜中构成继续分散到薄膜中构成导膜导膜(消逝场消逝场)θ3>θ3c和θ3<θ3c时的本征模；只需θ3>θ3c时棱镜与薄膜波导间才干有效耦合假设薄膜中某一波矢量A1满足k0n1sinθ1 = k0n3sinθ3(θ3改动→激发起其他的TE、TM膜)，穿入到空气隙与棱镜的消逝场相互耦合，由动摇方程时时时饱和添加a点的耦合，减小b点的耦合，可提高耦合效率→劈隙耦合：81% →88%，甚至>90%c.光栅耦合在薄膜上做周期光栅 原理：由包层或衬底照射到光栅的激光束产生衍射激光束，假设某一级衍射光束的衍射角γ和导模的模角θi相等，那么在薄膜中鼓励起导模。

由光栅方程衍射光沿向位相变化即位相匹配条件提高耦合效率：减小光栅损耗；选择光栅构造参数缺陷：效率低；频带窄6.2.4 薄膜调制器利用电光、声光、磁光效应，实现光波的调制、偏转和开关优点：a.导波介质就是调制介质 b.有一定的方式限制，易于实现模的转换、截止和开关 c.厚度薄，外加电压小，调制效率高1.波导型电光调制器构造：衬底： Ga1-xAlxAs 高电导波导： Ga1-yAlyAs y