光波导理论.ppt

光波导理论20121
His idea founded a new industry
Has Nobel price in physics year 2000
The first integrated circuit
、重量，较低功耗
6
成批制造的前景和经济性
7
改善可靠性
8
改善光学连接及对准的稳定性和可靠性，避免由于震动带来的系统不稳定或失败
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降低成本（制造、应用、维护、升级）
集成光路的优点
光元器件与电子元器件的特性比较
特征项
光元器件
电子元器件
(a)基本作用
光波导中的光传输及光与电子/晶格的相互作用
衬底表面附近的电子传输与控制
(b)基本元器件
光波导，半导体激光器等
晶体管、电阻、电容
(c)元器件尺寸（厚度方向）
波长（微米）量级，个别达到纳米量级
数十纳米至数微米
(d)元器件尺寸（长度方向）
微米至数毫米，个别达到纳米级
数十纳米至数微米
(e)与其他部件的连接
稍难——需要精密的位置精度（μm），光波导
容易­——电气布线，导体
(f)元器件可靠性
有问题，通常需要检测全部元器件
几乎没有问题，通常进行抽验
(g)元器件制造工艺
多样，研究开发中
基本平面工艺，已成熟
§ 集成光学的发展和现状
1962年开发出了第一个半导体同质结激光二极管，但其效率较低，阈值电流较大，不能在室温下连续工作。
1967年异质结外延生长技术的出现，拉开了半导体激光器实用化的序幕。
1969年，S. E. Miller提出“集成光学”概念
1970年实现了激光二极管的室温连续工作。此后，分布反馈式和分布布拉格反射器式激光器、量子阱和应变量子阱激光器、垂直腔面发射激光器、半导体激光器阵列等半导体激光器、半导体光放大器和集成光源不断涌现，为集成光学长远的发展奠定了基础。
发展简史
1972年，Somekh和Yariv提出了在同一个半导体衬底上同时集成光器件和电子器件的构想。
1987年，Yablonovitch和John大约同时提出了光子晶体（photonic crystal, PC）的概念。
2003年，科学家开发出制备纳米线的新方法。纳米线提供了尺度远远小于光波长的导光结构，它与有关纳米尺度的微腔和激光器的技术配合，可望用于制作各种纳米光集成器件。
目前，集成光学主要是研究和开发光通信、光学信息处理、光子计算机和光传感等所需要的多功能、稳定、可靠的光集成体系和混合光电集成体系等。
1970年研制成功了低损耗光纤，。

(1)集成光学已从实验室走向生产阶段，从初期的纯波导理论研究进入集成光学器件和集成光路的设计、制作研究阶段。
(2)已从单一的玻璃或铌酸锂材料发展到今天的多种材料，特别是硅基和聚合物基材料的开发为集成光学进入工程应用打下了基础。
(3)以III－V族半导体为衬底的集成光学达到迅猛发展。
(4)目前集成光学已进入实质的工程应用，光通信和光信息处理是集成光学两大类重要应用领域。
集成光学国际研究进展
主要集中在理论与器件两个方面：
1. 理论研究热点主要集中在以下两个方面：
1）围绕新型集成光学器件的结构设计、功能模拟与特性参数的计算等是目前集成光学理论研究的一个热点。
理论上对于集成器件的结构和性能模拟通常使用计算机辅助设计与数值计算的方法，如传递矩阵法（TMM）、光束传播法（BPM）、时域有限差分法（FDTD）和有限元法（FEM）等都有效地用于集成光学器件的模拟与计算，并用于实现集成器件结构的优化。
设计方法有两类：一是从基本原理入手，设计具有一定功能的光学器件；二是直接从功能角度出发，以提高器件性能，减少器件损耗，或者使器件性能具备特色等。
对于集成光学器件特性参数的分析是理论研究的另一个热点，研究其特性参数及其相互关系，分析其中相互作用，有利于深入剖析物理概念。
2）基础理论研究
主要集中在两类：一是基于固体物理学的基本理论和方法，研究和探讨制作微观集成光学器件的可能性；二是基于波动光学的理论和方法，从导波光学的角度来研究集成光学器件。
2. 集成光学器件的研究进展
1）目前大部分集成光学器件的研究仍集中在光通信领域：高速响应、低啁啾、单稳频集成激光器，可调谐激光器，多波长DFB激光器阵列，窄带响应可调谐集成光子探测器，高速单片集成光接收器，AWG
2）集成光学传感器
3）其他集成光学器件：MEMS，混合集成光隔离器，聚合物光波导光束偏转器等
4）纳米光子学
§ 研究集成光学的意义
人类进入一个高度信息化的社会，由Tb/s信息传输、Tb