第六章光波导理论及器件(精编).ppt

设计软件 FDTD：时域有限差分方法（Finite Difference Time Domain）。把 Maxwell 方程式在时间和空间领域上进行差分化。利用蛙跳式(Leap frog algorithm)--空间领域内的电场和磁场进行交替计算，通过时间领域上更新来模仿电磁场的变化，达到数值计算的目的。用该方法分析问题的时候要考虑研究对象的几何参数，材料参数，计算精度，计算复杂度，计算稳定性等多方面的问题。其优点是能够直接模拟场的分布，精度比较高，是目前使用比较多的数值模拟的方法之一。 * 设计软件 光束传播法：光束传播法（Beam Propagation Method，BPM）的基本思想是在给定初始场的前提下，一步一步地计算出各个传播截面上的场。 最早的BPM是以快速傅里叶变换(Fast-Fourier Transform，称FFT)为数学手段实现的，称为FFT-BPM。FFT-BPM 源于标量波方程，只能得到标量场(即只能处理一个偏振分量)，不能分辨出场的不同偏振以及场之间的耦合。同时它所采用的网格是均匀网格，在处理楔形、弯曲波导时不是很适合。由于上述缺点，D.Yevick等人于1989年提出有限差分光束传播法，它将波导截面分成很多方格，在每一个格内的场用差分方程来表示，然后加入边界条件，就可得到整个横截面的场分布。沿纵向重复前面的步骤，就可得到整个波导的场分布。这种方法已被成功地应用于分析Y型波导及S型弯曲波导中的光波传输，且对损耗的计算也得到了准确的结果 * 光子晶体波导 光子晶体：周期性结构的介质材料 * 1D: 布拉格反射器 2D: 硅柱晶体 3D: 胶质晶体 二维光子晶体波导 * 90度转折二维光子晶体波导 线性二维光子晶体波导 光子晶体波导 Joannopoulos et al. 光子晶体光纤 * * 阵列波导光栅：（1）输出波导，（2）平板波导，（3）通道波导，（4）平板波导，（5）输出波导 光纤中光的传输 光子晶体中光的传输 6.3 光波导器件 波导制造过程 典型光波导器件 * 波导制造过程概述 采用类似集成电路的制造技术，将光波导、光电二极管、半导体激光器等集成在同一块儿芯片上。 * 基片 波导涂层 光刻胶涂层 掩模曝光 去除光刻胶 波导层刻蚀 波导层刻蚀 下一层 微米量级，洁净室 * 基片制备 玻璃镀膜：磁控溅射、真空蒸发、化学气相沉积、溶胶凝胶。 晶体：结晶基片（刚玉）上生长，需籽晶。熔融物液体?晶片固体，如硅片在单晶炉中提拉生长，控制温度、转速、籽晶提拉速度 半导体材料：GaAs，控制气压、温度。 晶体定向：X射线 * 玻璃 绝缘晶体 半导体材料 被动光学 光发射 电光装置 波导膜沉积 沉积：基片表面形成1um介质或金属膜 * 波导膜沉积 非真空镀膜 * 波导膜生长 * 将基片作为有序生长的模板，使膜与基片参数匹配。 金属有机化学气相沉积系统（MOVPE） 蓝光LED 材料改性 扩散：基片与掺杂材料直接接触，加热扩散，基片原子只能振动。 离子交换与质子交换：离子或质子相互交换 离子注入：离子通过高电压加速，打入基片 * 刻蚀 湿法刻蚀 溅射法：物理过程，被刻蚀材料的原子受到离子的轰击而从材料表面发射。 化学刻蚀：化学过程，利用等离子体中的化学活性院子团与备课时材料发生化学反应，实现刻蚀目的。各向同性 物理化学刻蚀-反应离子刻蚀，高密度等离子体刻蚀：物理化学过程，通过活性离子对衬底的物理轰击和化学反应双重作用刻蚀，同时兼有各向异性和选择性。 * 金属板印刷 掩模板制备 印刷拷贝主板 * 相位调制器 * 铌酸锂、钽酸锂：电场引起折射率变化 Kaminow, et al. (1975) 方向耦合器 * 由一对相距很近的相同条形波导组成，倏逝波重叠 方向耦合器 * 方向耦合器 * 方向耦合器 电场//光轴 光偏振//光轴 方向耦合器 * 电极分离方向耦合器 平衡桥干涉仪 * 平衡桥干涉仪 * * * 六. 光波导理论及器件基础 平板波导 6.1 通道波导 6.2 光波导器件 6.3 * 光波导的概念 光纤、平面薄膜、窄条 对光辐射实施限制和传输的技术 研究方法：射线理论、电磁场理论 研究内容：光波导中光的传播行为、传导模式、传输特性 * 平板波导 射线光学：直观、近似 光线在介质界面发生反射和折射 发生全反射 光被限制在第1介质内，全反射可用于限制光的传输 * 电磁理论：复杂、完善 平板波导 * 覆盖层 涂层 基质 覆盖层：通常为空气， 涂层：介质薄膜，mm量级，也称薄膜波导 基质：玻璃 对称平板波导 非对称平板波导 空气 平板波导结构中可能存在的几种波的模式 *