1、課程說明,課程名稱：集成光學 Integrated Optics 教材與參考教材：,教材與參考教材,Optical Integrated Circuits，Hiroshi Nishihara, Masamitsu Haruna, Toshiaki Suhara，McGraw-Hill Professional, 1989 集成光路，(日本)西原浩著，梁瑞林譯，科學出版社，2005 Integrated Optics: Theory and Technology，F(xiàn)ifth Edition, R.G.Hunsperger, Springer Verlag, 2002 導波光學物理基礎，佘守憲主編

2、，北方交通大學出版社，2002,考試與成績評定方式,學期總成績 平時成績(30%)期末考試成績(70%) 平時成績包括平時記錄的出勤情況、課堂提問、課堂小測驗以及課后作業(yè)等,What is integrated optics?,集成光學是研究媒質薄膜中的光學現(xiàn)象以及光學元器件集成化的一門學科。它要解決的實質問題，是獲得具有不同功能、不同集成度的集成光路，以實現(xiàn)光學信息處理系統(tǒng)的集成化和微小化。 集成光學的概念是1969年美國貝爾實驗室的Miller博士提出的。,思想來源于集成電路,1958年，美國德州儀器公司(TI)的基爾比(Jack Kilby)提出并制作了世界上第一塊集成電路，并因此獲得2

3、000年諾貝爾獎。,集成光學的發(fā)展,發(fā)展的動力在于人們不斷尋求有效的調控光流動(Mold the flow of light)的手段。 近代光學史是從十七世紀初開普勒的光學研究開始的，以望遠鏡和顯微鏡的發(fā)明為轉折而發(fā)展起來。 1666年牛頓用三棱鏡把太陽光分解成連續(xù)的光譜，開辟了顏色理論和光譜學的發(fā)展。 1802年楊氏干涉試驗。,全內反射,1870年,英國皇家學會的John Tyndall演示了光在一束細水流中進行全內反射傳輸?shù)默F(xiàn)象。,光通訊的最成功例子光纖,高錕于1966年解決了石英光纖損耗的理論問題。光纖在理論和各種應用上得到了非常迅速地發(fā)展。,Comparison of Optical

4、Fibers with Other Interconnectors,Advantage: Immunity from electromagnetic interference (EMI) Freedom from electrical short circuits or ground loops Safety in combustible environment Security from monitoring Low-loss transmission Large bandwidth (i.e. , multiplexing capability) Small size, light wei

5、ght Inexpensive, composed of plentiful materials,光有源器件,定義：需要外加能源驅動工作的光電子器件 半導體光源(LD,LED,DFB,QW,SQW,VCSEL) 半導體光探測器(PD,PIN,APD） 光纖激光器（OFL:單波長、多波長） 光放大器(SOA,EDFA) 光波長轉換器(XGM,XPM,FWM) 光調制器（EA） 光開關/路由器,光無源器件,定義：不需要外加能源驅動工作的光電子器件 光纖連接器（固定、活動,FC/PC,FC/APC） 光纖定向耦合器/分支器 光分插復用器（OADM) 光波分/密集波分復用器（WDM/DWDM) 光衰減

6、器（固定、連續(xù)） 光濾波器（帶通、帶阻） 光纖隔離器與環(huán)行器（偏振有關、無關） 光偏振態(tài)控制器、光纖延遲線、光纖光柵,光波導技術的廣闊應用領域,光波導技術,有源無源器件 光纖通信干線 光交換接入網(wǎng) AON DWDM OADM OTDM FTTC,B,O,H,位移、振動 溫度、壓力 應變、應力 電流、電壓 電場、磁場 流量、濃度 可以測量70 多個物理化學量,廣告顯示牌 激光手術刀 儀表照明 工藝裝飾 電力輸送 光纖面板 醫(yī)用內窺鏡 潛望鏡,光子集成 光電子集成 集成光路 光收發(fā)模塊 光接入模塊 光開關模塊 光放大模塊,信息獲取,信息傳輸,信息處理,其它應用,集成光學是在光電子學和微電子學基礎上

7、，采用集成方法研究和發(fā)展光學器件和混合光學電子學器件系統(tǒng)的一門新的學科。 集成光學是當今光學和光電子學領域的發(fā)展前沿之一，它主要研究集成在一個平面襯底上的光學器件和光電子學領域 的理論、技術與應用，是光學發(fā)展的必由之路和高級階段。 集成光學以半導體激光器、光調制器、接收器等光子和光電子元件為核心集成起來，并以具有一定功能的體系為標志。,集成光路（OIC）：通常利用光波導將發(fā)光元件、透鏡、光調制、光耦合以及光接收等器件連接在一起，集成在襯底上，構成具有一定獨立功能的微型光學體系。 如果同時與電子器件（如場效應晶體管、電阻、電容等）集成，則構成混合光電子集成體系（opto-electronic i

8、ntegrated circuit, OEIC）。,Comparison of Optical Integrated Circuits with Electrical Integrated Circuits,Advantage: Increased bandwidth Expanded frequency (wavelength) division multiplexing Low-loss couplers Smaller size, weight, lower power consumption Batch fabrication economy Improved reliability

9、Improved optical alignment, immunity to vibration,Disadvantage: High cost of developing new fabrication technology,Historical overview and development,集成光學以導波光學為基礎。1962年在GaAs p-n 結激光器中存在著導波現(xiàn)象，1965年制備出紅外波段的薄膜波導，1970年研制成功室溫工作的雙異質結激光器 論證各種導引機制和耦合技術，對無源器件的研制 對調制器的研究，薄膜波導調制器有頻帶寬、調制電壓低、耗電少、能與其它波導器件匹配等優(yōu)點 集

10、成光路中的光源不僅要求有極好的性能，而且要便于平面集成 探測器單片的集成,集成光學的理論問題主要是媒質波導理論。從不同角度建立媒質波導理論 建立在麥克斯韋方程組基礎上的媒質波導電磁理論 從射線光學角度建立了鋸齒波模型的波導理論 從量子力學角度建立了勢阱模型的波導理論 主要集中在器件的新原理、設計概念、結構設計、功能模擬、特性參數(shù)計算等方面。通常采用計算機輔助設計與數(shù)值計算的方法,模擬計算方法,傳遞矩陣方法（transfer matrix method-TMM） 光束傳播法（beam propagation method-BPM） 時域有限差分法（finite difference time d

11、omain-FDTD） 有限元法（finite element method-FEM）,麥克斯韋方程組,變化的磁場產生電場； 變化的電場產生磁場； 電荷可以單獨存在，電場是有源的； 磁荷不可以單獨存在，磁場是無源的。,磁感應強度的變化會引起環(huán)行電場； 位移電流和傳導電流一樣都能產生環(huán)行磁場； 電位移矢量起止于存在自由電荷的地方； 磁場沒有起止點。,散度是“標量積” 一個矢量在某點的散度表征了該點“產生”或“吸收”這種場的能力,若一個點的散度為零則該點不是場的起止點。 旋度是“矢量積” 一個矢量場在某點的旋度描述了場在該點周圍的旋轉情況。,麥克斯韋方程組最重要的特點是它揭示了電磁場的內部作用和運

12、動規(guī)律。不僅電荷和電流可以激發(fā)電磁場，而且變化的電場和磁場也可以互相激發(fā)。說明電磁場可以獨立于電荷之外而存在。,由此可見，電場和磁場互相激發(fā)形成統(tǒng)一的場-電磁場。變化的電磁場 可以以一定的速度向周圍傳播出去。這種交變電磁場在空間以一定的速度由近及遠的傳播即形成電磁波。,介質的電磁性質方程,為了求解麥克斯韋方程組，還需要知道介質的電磁性質方程：,必須指出：以上關系式只適用于某些介質。實驗指出存在許多不同類型的介質，例如許多晶體屬于各向異性介質，在這些介質內某些方向容易極化，另一些方向較難極化，使得D與E一般具有不同方向，關系就變成較為復雜的張量式。在強場作用下許多介質呈現(xiàn)非線性現(xiàn)象，使得D不僅與

13、E的一次式有關，而且與E的二次式、三次式等都有關系。鐵磁性物質的B與H的關系也是非線性的，而且是非單值的。,在兩介質的分界面上，一般會出現(xiàn)面電荷電流分布，使得物理量發(fā)生躍變，微分形式的麥克斯韋方程組不再適用。因此，在介質分界面上，需要用積分形式的麥克斯韋方程組描述界面兩側的場強以及界面上電荷電流關系。當電磁場從一種介質傳播到另一種介質時，滿足下面的邊界條件：,其中， 為自由電荷面密度， 為自由電流線密度。,電磁場邊值關系,場量躍變的原因是面電荷電流激發(fā)附加的電磁場,波動方程和亥姆霍茲方程,波動方程,亥姆霍茲方程,3、光在簡單介質界面上的反射與折射,n2(n1),n1,O,X,Z,k1,k1,k

14、2,如右圖所示，利用電磁場的邊界條件，以垂直分量為例進行研究，可得入射波，反射波與折射波表達式分別為：,根據(jù)電場切向連續(xù) 可得：,由此可得反射波與折射波傳播方向遵從的折反射定律。,上式對于任何時刻及界面y=0上任何位置均成立，因而有：,反射定律：反射光位于入射光與界面法線所決定的平面內且 。,折射定理：折射光位于界面法線與入射光線所決定的平面內且 。,從前面的關系可以推出著名的菲涅耳公式：,對于垂直于入射面的波場分量：,對于平行于入射面的波場分量：,從以上公式可以解釋在兩種情況下光從光疏介質入射到光密介質時出現(xiàn)的半波損失現(xiàn)象。,1、垂直入射 2、掠入射,條形光波導的結構,平板波導,集成光學所用

15、的材料 具有一定的折射率，一般比襯底折射率高 傳輸損耗滿足一定條件 應具有多種功能，工藝上便于成膜和器件制作與集成 在外界各種環(huán)境下具有長期穩(wěn)定工作的性能 主要是III-IV族半導體材料和鈮酸鋰（LiNbO3）光學材料,集成光學元器件的工藝技術主要涉及成膜與光路微加工 成膜工藝包括：外延、質子轟擊、離子注入、固態(tài)擴散、離子交換、高頻濺射、真空蒸發(fā)、等離子聚合 光路微加工技術包括光刻、電子束曝光、全息曝光、同步輻射、光鎖定、化學刻蝕、濺射刻蝕、反應離子刻蝕 高速脈沖技術是測試及應用中不可缺少的手段,Substrate Materials for Optical Integrated Circui

16、ts,Hybrid versus monolithic approach III-V and II-VI ternary systems,Hybrid versus Monolithic Approach,Hybrid, in which two or more substrate materials are somehow bonded together to optimize performance for different devices Monolithic OIC, in which a single substrate material is used for all devic

17、es,There are two basic forms of OIC.,Passive (incapable of light generation): quartz, lithium niobate, lithium tantalate, tantalum pentoxide, niobium pentoxide, silicon Active (capable of light generation): gallium arsenide, gallium aluminum arsenide, gallium arsenide phosphide, gallium indium arsen

18、ide, other III-V and II-VI direct bandgap semiconductors,Substrate materials for OIC,Passive materials are useful as substrate materials but an external light source must be optically and mechanically coupled to the substrate.,III-V and II-VI Ternary Systems,The III-V (or II-VI) ternary compounds are particularly useful because the energy bandgap of the material can be changed over a