光波導(dǎo)理論及器件第一頁，共五十五頁，2022年，8月28日光波導(dǎo)的概念光纖、平面薄膜、窄條對光輻射實施限制和傳輸?shù)募夹g(shù)研究方法：射線理論、電磁場理論研究內(nèi)容：光波導(dǎo)中光的傳播行為、傳導(dǎo)模式、傳輸特性2第二頁，共五十五頁，2022年，8月28日平板波導(dǎo)射線光學(xué)：直觀、近似光線在介質(zhì)界面發(fā)生反射和折射

發(fā)生全反射光被限制在第1介質(zhì)內(nèi)，全反射可用于限制光的傳輸3電磁理論：復(fù)雜、完善第三頁，共五十五頁，2022年，8月28日平板波導(dǎo)4覆蓋層涂層基質(zhì)覆蓋層：通常為空氣，涂層：介質(zhì)薄膜，mm量級，也稱薄膜波導(dǎo)基質(zhì)：玻璃對稱平板波導(dǎo)非對稱平板波導(dǎo)空氣第四頁，共五十五頁，2022年，8月28日平板波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中可能存在的幾種波的模式5輻射波（輻射模）基質(zhì)輻射波（基質(zhì)模）傳導(dǎo)波（傳導(dǎo)模）第五頁，共五十五頁，2022年，8月28日平板介質(zhì)波導(dǎo)中的導(dǎo)波x：橫向約束y：均勻z：傳播

引入沿z方向的傳播常數(shù)

則6導(dǎo)波有效折射率Nz方向最大傳播常數(shù)

第六頁，共五十五頁，2022年，8月28日TE與TM7TE模（縱向電場分量為0）TM模（縱向磁場分量為0）第七頁，共五十五頁，2022年，8月28日古斯-漢森位移和波導(dǎo)層的有效厚度--波導(dǎo)中的光能流問題有效波導(dǎo)層厚度8全反射：反射率為1，沒有能流進(jìn)入基質(zhì)。實際上，存在倏逝波，沿x方向迅速衰減，z方向存在位移。第八頁，共五十五頁，2022年，8月28日平板波導(dǎo)的電磁理論基礎(chǔ)對光學(xué)現(xiàn)象的完善描述需借助電磁理論分析不存在自由電荷和傳導(dǎo)電流時直角坐標(biāo)系中若麥克斯韋方程組具有隨時間周期變化的解，可表示為9復(fù)共軛第九頁，共五十五頁，2022年，8月28日介質(zhì)中

同時10沒有自由電荷和傳導(dǎo)電流時電磁空間分量的麥克斯韋方程組=第十頁，共五十五頁，2022年，8月28日平板波導(dǎo)中的麥克斯韋方程組導(dǎo)波沿z傳播，則橫向分量波導(dǎo)y方向無限大，不受限制，E、H在y方向不變，則11沒有自由電荷和傳導(dǎo)電流，無其它條件第十一頁，共五十五頁，2022年，8月28日12第十二頁，共五十五頁，2022年，8月28日TE波：只存在電場橫向分量令則TE波中，僅剩且TE波中的所有電磁分量均由決定，滿足常系數(shù)二階微分方程對于平板波導(dǎo)的三個層13同樣波導(dǎo)層-E在x方向周期變化-實數(shù)基質(zhì)層-E在x方向衰減-虛數(shù)覆蓋層-E在x方向衰減-虛數(shù)第十三頁，共五十五頁，2022年，8月28日從而各層中

場不能無限大，故14第十四頁，共五十五頁，2022年，8月28日三層中三個分量的表達(dá)式全部獲得，利用了橫電特性及三層介質(zhì)中光傳播特性需求解A、B、A2、A3系數(shù)，利用邊界條件電場磁場只剩下A，設(shè)x=0處，Ey(0)=E015邊界面上，電磁場切向分量連續(xù)第十五頁，共五十五頁，2022年，8月28日各層的全部非0場分量為：基底層（x<-d）：波導(dǎo)層（-d<x<0）：覆蓋層（x>0）：16第十六頁，共五十五頁，2022年，8月28日TE波的模和截止條件根據(jù)x=-d處連續(xù)條件方程的解為一組β值，對應(yīng)于TE波的本征模。17介質(zhì)波導(dǎo)本征值方程：關(guān)于傳播常數(shù)β的超越方程正整數(shù)—模數(shù)第十七頁，共五十五頁，2022年，8月28日對稱波導(dǎo)：18對稱模反對稱模圖中圓弧半徑由光波傳播常數(shù)即頻率決定：0<半徑<π/2:單個解，對稱模π/2<半徑<π:兩個解，對稱模，反對稱模π<半徑<3π/2:三個解，兩對稱模，一反對稱模第十八頁，共五十五頁，2022年，8月28日19低頻區(qū)（λ大，k小）：單模，關(guān)于-d/2對稱，電場在波導(dǎo)層內(nèi)余弦變化，波導(dǎo)層外指數(shù)衰減，至少單模。頻率升高：場向波導(dǎo)層中央集中，一定程度時出現(xiàn)反對稱解，形成雙模傳播。對稱單模傳播對稱、反對稱雙模傳播第十九頁，共五十五頁，2022年，8月28日小結(jié)20倏逝波倏逝波傳導(dǎo)行波第二十頁，共五十五頁，2022年，8月28日截止條件臨界條件時，發(fā)生全反射，對應(yīng)截止條件，對稱模反對稱模所有模截止條件為：實際上截止條件時：21波導(dǎo)的V值判斷導(dǎo)波模數(shù)，允許v+1個模第二十一頁，共五十五頁，2022年，8月28日光波導(dǎo)的模式22?光ABCD單模多模第二十二頁，共五十五頁，2022年，8月28日例1、例2、23存在2個導(dǎo)波模，v=0，1第二十三頁，共五十五頁，2022年，8月28日導(dǎo)波模性質(zhì)不同模正交性

兩個不同模的乘積在波導(dǎo)橫截面內(nèi)的積分為024第二十四頁，共五十五頁，2022年，8月28日導(dǎo)波模性質(zhì)波導(dǎo)模場分量可歸一化，對同一個模

正交歸一性使任意橫向場可展開為模場分量疊加的形式25第二十五頁，共五十五頁，2022年，8月28日導(dǎo)波模性質(zhì)沿z正方向行進(jìn)的導(dǎo)波模所攜帶的能量密度其中26第二十六頁，共五十五頁，2022年，8月28日通道光波導(dǎo)27第二十七頁，共五十五頁，2022年，8月28日通道波導(dǎo)的描述矢量波方程導(dǎo)波在兩個方向受限，因此必須考慮電場磁場分量的矢量特性標(biāo)量近似28第二十八頁，共五十五頁，2022年，8月28日標(biāo)量方程的解法場屏蔽法29第二十九頁，共五十五頁，2022年，8月28日等效折射率法標(biāo)量方程的解法30橫截面結(jié)構(gòu)等效平板波導(dǎo)第三十頁，共五十五頁，2022年，8月28日設(shè)計軟件FDTD：時域有限差分方法（FiniteDifferenceTimeDomain）。把Maxwell方程式在時間和空間領(lǐng)域上進(jìn)行差分化。利用蛙跳式(Leapfrogalgorithm)--空間領(lǐng)域內(nèi)的電場和磁場進(jìn)行交替計算，通過時間領(lǐng)域上更新來模仿電磁場的變化，達(dá)到數(shù)值計算的目的。用該方法分析問題的時候要考慮研究對象的幾何參數(shù)，材料參數(shù)，計算精度，計算復(fù)雜度，計算穩(wěn)定性等多方面的問題。其優(yōu)點是能夠直接模擬場的分布，精度比較高，是目前使用比較多的數(shù)值模擬的方法之一。31第三十一頁，共五十五頁，2022年，8月28日設(shè)計軟件光束傳播法：光束傳播法（BeamPropagationMethod，BPM）的基本思想是在給定初始場的前提下，一步一步地計算出各個傳播截面上的場。最早的BPM是以快速傅里葉變換(Fast-FourierTransform，稱FFT)為數(shù)學(xué)手段實現(xiàn)的，稱為FFT-BPM。FFT-BPM源于標(biāo)量波方程，只能得到標(biāo)量場(即只能處理一個偏振分量)，不能分辨出場的不同偏振以及場之間的耦合。同時它所采用的網(wǎng)格是均勻網(wǎng)格，在處理楔形、彎曲波導(dǎo)時不是很適合。由于上述缺點，D.Yevick等人于1989年提出有限差分光束傳播法，它將波導(dǎo)截面分成很多方格，在每一個格內(nèi)的場用差分方程來表示，然后加入邊界條件，就可得到整個橫截面的場分布。沿縱向重復(fù)前面的步驟，就可得到整個波導(dǎo)的場分布。這種方法已被成功地應(yīng)用于分析Y型波導(dǎo)及S型彎曲波導(dǎo)中的光波傳輸，且對損耗的計算也得到了準(zhǔn)確的結(jié)果32第三十二頁，共五十五頁，2022年，8月28日光子晶體波導(dǎo)光子晶體：周期性結(jié)構(gòu)的介質(zhì)材料33第三十三頁，共五十五頁，2022年，8月28日1D:布拉格反射器2D:硅柱晶體3D:膠質(zhì)晶體第三十四頁，共五十五頁，2022年，8月28日二維光子晶體波導(dǎo)3590度轉(zhuǎn)折二維光子晶體波導(dǎo)線性二維光子晶體波導(dǎo)第三十五頁，共五十五頁，2022年，8月28日光子晶體波導(dǎo)Joannopoulosetal.第三十六頁，共五十五頁，2022年，8月28日光子晶體光纖37第三十七頁，共五十五頁，2022年，8月28日38陣列波導(dǎo)光柵：（1）輸出波導(dǎo)，（2）平板波導(dǎo)，（3）通道波導(dǎo)，（4）平板波導(dǎo)，（5）輸出波導(dǎo)光纖中光的傳輸光子晶體中光的傳輸?shù)谌隧摚参迨屙摚?022年，8月28日6.3光波導(dǎo)器件波導(dǎo)制造過程典型光波導(dǎo)器件39第三十九頁，共五十五頁，2022年，8月28日波導(dǎo)制造過程概述采用類似集成電路的制造技術(shù)，將光波導(dǎo)、光電二極管、半導(dǎo)體激光器等集成在同一塊兒芯片上。40基片波導(dǎo)涂層光刻膠涂層掩模曝光去除光刻膠波導(dǎo)層刻蝕波導(dǎo)層刻蝕下一層微米量級，潔凈室第四十頁，共五十五頁，2022年，8月28日41第四十一頁，共五十五頁，2022年，8月28日基片制備玻璃鍍膜：磁控濺射、真空蒸發(fā)、化學(xué)氣相沉積、溶膠凝膠。晶體：結(jié)晶基片（剛玉）上生長，需籽晶。熔融物液體晶片固體，如硅片在單晶爐中提拉生長，控制溫度、轉(zhuǎn)速、籽晶提拉速度半導(dǎo)體材料：GaAs，控制氣壓、溫度。晶體定向：X射線42玻璃絕緣晶體半導(dǎo)體材料被動光學(xué)光發(fā)射電光裝置第四十二頁，共五十五頁，2022年，8月28日波導(dǎo)膜沉積沉積：基片表面形成1um介質(zhì)或金屬膜43第四十三頁，共五十五頁，2022年，8月28日波導(dǎo)膜沉積非真空鍍膜44第四十四頁，共五十五頁，2022年，8月28日波導(dǎo)膜生長45將基片作為有序生長的模板，使膜與基片參數(shù)匹配。金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)（MOVPE）

藍(lán)光LED第四十五頁，共五十五頁，2022年，8月28日材料改性擴(kuò)散：基片與摻雜材料直接接觸，加熱擴(kuò)散，基片原子只能振動。離子交換與質(zhì)子交換：離子或質(zhì)子相互交換離子注入：離子通過高電壓加速，打入基片46第四十六頁，共五十五頁，2022年，8月28日刻蝕濕法刻蝕濺射法：物理過程，被刻蝕材料的原子受到離子的轟擊而從材料表面發(fā)射。化學(xué)刻蝕：化學(xué)過程，利用等離子體中的化學(xué)活性院子團(tuán)與備課時材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，實現(xiàn)刻蝕目的。各向同性物理化學(xué)刻蝕-反應(yīng)離子刻蝕，高密度等離子體刻蝕：物理化學(xué)過程，通過活性離子對襯底的物理轟擊和化學(xué)反應(yīng)雙重作用刻蝕，同時兼有各向異性和選擇性。47第四十七頁，共五十五頁，2022年，8月28日金屬板印刷掩模板制備印刷拷貝主板48第四十八頁，共五十五頁，2022年，8月28日相位調(diào)制器49鈮酸鋰、鉭酸鋰：電場引起折射率變化Kaminow,etal.(1975)第四十九頁，共五十五頁，2022年，8月28日方向耦合器50由