光学芯片cad交互式软件的设计与实现.docx

杭州电子科技大学硕士学位论文
同位素分析,大气污染气体分析、医用气体分析,激光诊断微等离子等;
第四,光空间传输。包括短距离简单图像通信,光开关,光遥感,光在线检测等;
第五,光纤通信、传输。包括长距离、大容量、宽带数字通信,模拟通信,局域网通
信,太阳光的光纤照明等。
集成光学
1969 年,美国贝尔实验室 Miller 博士提出了集成光学的概念。集成光学是在光电子技
术以及微电子技术的发展的基础上,采用集成的方式来发展和研究光学器件、混合光学-电
子学器件的一门高新的综合学科。随后在 1972 年,Yariv 和 Somekh 提出了将光学器件以及
微电子器件集成在同一半导体衬底上,从那时起,人们开始利用各种材料和多种制造工艺
来制作集成光学器件。
集成光学的出现是传统光学器件发展的必然结果,同时它受到了微电子集成电路技术
的启发和推动作用。目前为止,集成光学依然是光学和光电子学技术的发展前沿之一,其
主要研究目标位将光学器件和光电子器件集成在同一半导体衬底系统的理论、技术以及实
践应用,同时集成光学是光学技术发展的必然阶段和高级阶段。目前,主要是研究和开发
光信息处理、光通信、光传感和光子计算机等所需的多功能、稳定、高效、可靠的光电子
集成体系和光集成体系等。把多种光学器件以及电子器件集成在同一衬底上,通过光波导、
隔离器、耦合器和滤波器等无源器件连接起来,构成的微型光学系统统称为集成光路,从
而实现了光学系统的微型化、薄膜化、集成化。
集成光学的理论基础为光学和光电子学,涉及到波导光学、半导体光电子学、非线性
光学、信息光学与波动光学、耦合模与参量理论等多个方面的现代光学研究内容。集成光
学的应用领域非常广泛,除了光纤通信传输、光纤传感技术、光子计算机、光信息处理技
术以及光存储等多方面外,还包括材料科学、光谱研究、光学仪器等多个其他领域。
集成光学的特点主要有以下几个方面:
第一,重量轻、体积小。集成光学器件一般集成在厘米单位级的衬底上,因此体积比
较小、重量比较轻。
第二,单个器件的尺寸和器件之间的作用长度缩短,相关电子器件的工作电压比较低。
第三,光在光波导中传输,光波的能量容易保持和控制,减小能量消耗。
第四,功率密度高。在传输过程中,光波被限制在相对比较狭小的光波导中,因此光
波的光功率密度相对较高,容易满足光学器件的工作阈值,并且利于利用非线性光学效应
工作。
第五,集成化带来的稳固定位。集成光学研究的目标是将多个器件集成在同一块衬底
上,因而不存在离散光学器件带来的组装的麻烦,这样就保持了相对比较稳定的组合,所
以,集成光学器件对温度、振动等环境因素的适应能力比较强,这个特点也看作是集成光
学的最大特点。
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目前,集成光学正以其优越的功能、性能特点进入了高速发展的阶段,并迅速在各个
领域内实现了重要的实际应用。与微电子学相比较,集成光学的体积较大以及集成度相对
较低一度成为集成光学发展过程中难以克服的问题,但是近年来微腔谐振、等离子体激元
表面波、微腔激光器、光子晶体、纳米量子线导光等新技术原理的出现和研究,为实现高
集成度、小体积的集成光学器件提供了理论基础,使得集成光学进入了高速发展的新时期。
集成光学的理论研究是其重要的研究内容,主要集中在光学器件的新原理、新设计理
念、结构设计、功能模拟、特性参数计算等方面。从理论上来讲,对于光学集成器件的结
构与性能模拟通常使用数值计算以及计算机辅助设计的方法,常用的有传递矩阵方法
(transfer matrix method,TMM)[2]-[4]、光束传播方法(beam propagation method, BPM)
[5]
domain, FDTD)[10]-[11]等,都可有效用于集成光学器件的模拟与计算中,并用于实现集成
器件的结构的优化。
1989年,Yevick D等人提出了有限差分光束传播法(FD-BPM),它将隐式差分格式应
用于基于慢包络近似的亥姆霍兹方程,得到的方程是无条件稳定的。FD-BPM的分析步骤包
括:波导横截面被分成很多方格,在每一个格内用常用差分方程来表示,然后加入边界条
件,根据前一横截面的场分布就可得到当前横截面的场分布;重复前面的步骤,最后可得
到整个波导中的场分布。
FD-BPM方法已被成功的应用于分析Y型波导及S型弯曲波导中的光波传输,且对损耗
得到了准确的结果;FD-BPM还被用于分析条形波导、三维弯曲波导、二阶非线性效应以及
有源器件、光纤,并且得到了对每一种掺杂方法的最优波导结构设计。
在FD-BPM中,传播就是解有限差分方程,由于x,y极化的边界条件可