光波导理论基础（第2版）09无源光器件.pptx

光波导理论基础 李淑凤 李成仁 内容 第1章 电磁场理论 第2章 几何光学 第3章 光波导几何分析 第4章 薄膜波导模式理论 第5章 三维光波导 第6章 光纤模式理论 第7章 电磁场分析的有限元法 第8章 模式耦合理论 第9章 无源光器件 第10章 有源光器件 第11章 光子晶体波导 第12章 光波导的制备 光波导器件的分类 无源光波导器件 有源光波导器件 不具备能量转换功能的器件，特别是对光波呈现静态特性的器件，也就是对那些不具备利用外部信号控制光波功能的器件称为无源器件（passive device） 对光波具有动态控制功能的器件称为有源器件（functional device, active device） 光路变换器、分配器、波分复用/解复用器、波导光栅、传感器、谐振器、偏振器、透镜等 光波导放大器、光波导调制器、半导体激光器等 9.1 光纤光栅 9.2 平面波导光栅 9.3 双波导定向耦合器 9.4 波分复用解复用器 9.5 光开关 9.6 光波导传感器 9.7 波导微环谐振器 9.1 光纤光栅 光纤光栅：芯区折射率沿传播方向周期性变化的光纤器件。 芯区掺杂：锗 锡 硼等，有光敏效应，紫外光照射折射率改变 包层：纯SiO2，无光敏效应 分类： 布拉格光纤光栅(FBG)/反射式光栅:短周期，小于1m。反射带宽窄，布拉格波长与温度、应力呈线性关系，用作传感器。 闪耀光纤光栅(BFBG):光栅矢量与光纤轴有夹角，引起反射导波模式，基模包层，用于光纤放大器的增益平坦器。 啁啾光纤光栅（CFG）：周期沿轴单调变化，可形成宽反射带 长周期光纤光栅（LPFG)/透射光栅:周期几十至几百m，芯内导模耦合到包层，微弯传感器、折射率传感器、模式转换器 9.1 光纤光栅 光纤光栅的制备： 驻波法 波长488nm激光从一个端面耦合到掺杂光纤中，经另一端面反射，入射和反射激光干涉形成驻波，形成了与干涉周期一样的折射率光栅，布拉格波长与写入波长相同。 干涉法 用两束相干紫外光在光纤的侧面相干，通过控制入射光波长或两相干光束之间的夹角来控制光栅周期。 单脉冲逐点写入法 复杂的聚焦光学系统和精确的位移移动技术。 相位掩膜法 利用电子束曝光刻好的图形掩膜板，紫外光经过掩膜相位调制后衍射到光纤上形成干涉条纹，周期为掩膜周期一半。 长周期光纤光栅的制作一般采用振幅掩膜法和逐点写入法。 9.1 光纤光栅 光纤光栅的折射率分布： 理想正规光纤的折射率分布： ：光栅周期；：光栅空间频率，  =2  /； n：折射率调制深度，10-5~ 10-3；光栅长L  （忽略n二阶小项） 图9.1 光纤光栅 9.1 光纤光栅 9.1.1 光纤光栅耦合方程 按单模光纤分析，LP01正向模和反向模之间的耦合。 双向模耦合方程： ：功率因子 光波远离截止时1 9.1 光纤光栅 9.1.1 光纤光栅耦合方程 求解双向模耦合方程： 忽略高频项，c+、c－为缓变的振幅项 频率偏差量/失谐量  =2  / 布拉格光栅： B:布拉格波（光栅反射的峰值波长）  /2 与 同量级 9.1 光纤光栅 9.1.1 光纤光栅耦合方程  =2  / 令 9.1 光纤光栅 9.1.1 光纤光栅耦合方程  =2  / 利用边界条件，确定系数A、B. 设光栅长度为L. 9.1 光纤光栅 9.1.1 光纤光栅耦合方程  =2  / 正向功率 反向功率 9.1 光纤光栅 9.1.2 光纤光栅传输特性  =2  / 净能流 净能流与z无关，光传输时各处净能流不变。 9.1 光纤光栅 9.1.2 光纤光栅传输特性  =2  / 反射率： 透射率： 能量守恒 9.1 光纤光栅 9.1.3 光纤光栅滤波特性 光谱主峰  =2  / 光栅带宽： 谐振状态：q=0 失谐状态：q0 边值反射率 9.1 光纤光栅 9.1.3 光纤光栅滤波特性 两翼光谱  =2  / 与主峰交界处连续，反射率快速下降。 图9.3 光纤光栅的滤波特性 远离截止时 滤波器, 波长选择器 9.1 光纤光栅 9.1.3 光纤光栅滤波特性 两翼光谱  =2  / 两翼光谱反射率R的次极大满足 两翼光谱反射率R的零点 侧峰宽 9.2 平面波导光栅 图9.4 集成光路中使用的无源光栅器件 9.2 平面波导光栅 平面波导光栅结构 平面波导光栅的制备 折射率调制型：波导内介质折射率或者波导附近介质的折射率发生周期性变化。