集成光学0.绪论

课程说明课程名称：集成光学IntegratedOptics教材与参考教材：教材与参考教材《OpticalIntegratedCircuits》，HiroshiNishihara,MasamitsuHaruna,ToshiakiSuhara，McGraw-HillProfessional,1989《集成光路》，(日本)西原浩著，梁瑞林译，科学出版社，2005《IntegratedOptics:TheoryandTechnology》，FifthEdition,R.G.Hunsperger,SpringerVerlag,2002《导波光学物理基础》，佘守宪主编，北方交通大学出版社，2002考试与成绩评定方式学期总成绩＝平时成绩(30%)＋期末考试成绩(70%)平时成绩包括平时记录的出勤情况、课堂提问、课堂小测验以及课后作业等Whatisintegratedoptics?集成光学是研究媒质薄膜中的光学现象以及光学元器件集成化的一门学科。它要解决的实质问题，是获得具有不同功能、不同集成度的集成光路，以实现光学信息处理系统的集成化和微小化。集成光学的概念是1969年美国贝尔实验室的Miller博士提出的。思想来源于集成电路1958年，美国德州仪器公司(TI)的基尔比(JackKilby)提出并制作了世界上第一块集成电路，并因此获得2000年诺贝尔奖。集成光学的发展发展的动力在于人们不断寻求有效的调控光流动(Moldtheflowoflight)的手段。近代光学史是从十七世纪初开普勒的光学研究开始的，以望远镜和显微镜的发明为转折而发展起来。1666年牛顿用三棱镜把太阳光分解成连续的光谱，开辟了颜色理论和光谱学的发展。1802年杨氏干涉试验。全内反射1870年,英国皇家学会的JohnTyndall演示了光在一束细水流中进行全内反射传输的现象。光通讯的最成功例子——光纤高锟于1966年解决了石英光纤损耗的理论问题。光纤在理论和各种应用上得到了非常迅速地发展。ComparisonofOpticalFiberswithOtherInterconnectorsAdvantage:Immunityfromelectromagneticinterference(EMI)FreedomfromelectricalshortcircuitsorgroundloopsSafetyincombustibleenvironmentSecurityfrommonitoringLow-losstransmissionLargebandwidth(i.e.,multiplexingcapability)Smallsize,lightweightInexpensive,composedofplentifulmaterials光有源器件定义：需要外加能源驱动工作的光电子器件半导体光源(LD,LED,DFB,QW,SQW,VCSEL)半导体光探测器(PD,PIN,APD）光纤激光器（OFL:单波长、多波长）光放大器(SOA,EDFA)光波长转换器(XGM,XPM,FWM)光调制器（EA）光开关/路由器光无源器件定义：不需要外加能源驱动工作的光电子器件光纤连接器（固定、活动,FC/PC,FC/APC）光纤定向耦合器/分支器光分插复用器（OADM)光波分/密集波分复用器（WDM/DWDM)光衰减器（固定、连续）光滤波器（带通、带阻）光纤隔离器与环行器（偏振有关、无关）光偏振态控制器、光纤延迟线、光纤光栅光波导技术的广阔应用领域光波导技术有源无源器件光纤通信干线光交换接入网AONDWDMOADMOTDMFTTC,B,O,H位移、振动温度、压力应变、应力电流、电压电场、磁场流量、浓度可以测量70多个物理化学量广告显示牌激光手术刀仪表照明工艺装饰电力输送光纤面板医用内窥镜潜望镜光子集成光电子集成集成光路光收发模块光接入模块光开关模块光放大模块信息获取信息传输信息处理其它应用集成光学是在光电子学和微电子学基础上，采用集成方法研究和发展光学器件和混合光学－电子学器件系统的一门新的学科。集成光学是当今光学和光电子学领域的发展前沿之一，它主要研究集成在一个平面衬底上的光学器件和光电子学领域的理论、技术与应用，是光学发展的必由之路和高级阶段。集成光学以半导体激光器、光调制器、接收器等光子和光电子元件为核心集成起来，并以具有一定功能的体系为标志。集成光路（OIC）：通常利用光波导将发光元件、透镜、光调制、光耦合以及光接收等器件连接在一起，集成在衬底上，构成具有一定独立功能的微型光学体系。如果同时与电子器件（如场效应晶体管、电阻、电容等）集成，则构成混合光电子集成体系（opto-electronicintegratedcircuit,OEIC）。ComparisonofOpticalIntegratedCircuitswithElectricalIntegratedCircuitsAdvantage:IncreasedbandwidthExpandedfrequency(wavelength)divisionmultiplexingLow-losscouplersSmallersize,weight,lowerpowerconsumptionBatchfabricationeconomyImprovedreliabilityImprovedopticalalignment,immunitytovibrationDisadvantage:HighcostofdevelopingnewfabricationtechnologyHistoricaloverviewanddevelopment集成光学以导波光学为基础。1962年在GaAsp-n结激光器中存在着导波现象，1965年制备出红外波段的薄膜波导，1970年研制成功室温工作的双异质结激光器论证各种导引机制和耦合技术，对无源器件的研制对调制器的研究，薄膜波导调制器有频带宽、调制电压低、耗电少、能与其它波导器件匹配等优点集成光路中的光源不仅要求有极好的性能，而且要便于平面集成探测器单片的集成集成光学的理论问题主要是媒质波导理论。从不同角度建立媒质波导理论建立在麦克斯韦方程组基础上的媒质波导电磁理论从射线光学角度建立了锯齿波模型的波导理论从量子力学角度建立了势阱模型的波导理论主要集中在器件的新原理、设计概念、结构设计、功能模拟、特性参数计算等方面。通常采用计算机辅助设计与数值计算的方法模拟计算方法传递矩阵方法（transfermatrixmethod---TMM）光束传播法（beampropagationmethod---BPM）时域有限差分法（finitedifferencetimedomain---FDTD）有限元法（finiteelementmethod---FEM）麦克斯韦方程组tBEtDJHD0BSLdSBtdlESLdSDtJdlHSqdSDSdSB0变化的磁场产生电场；变化的电场产生磁场；电荷可以单独存在，电场是有源的；磁荷不可以单独存在，磁场是无源的。磁感应强度的变化会引起环行电场；位移电流和传导电流一样都能产生环行磁场；电位移矢量起止于存在自由电荷的地方；磁场没有起止点。散度是“标量积”一个矢量在某点的散度表征了该点“产生”或“吸收”这种场的能力,若一个点的散度为零则该点不是场的起止点。旋度是“矢量积”一个矢量场在某点的旋度描述了场在该点周围的旋转情况。麦克斯韦方程组最重要的特点是它揭示了电磁场的内部作用和运动规律。不仅电荷和电流可以激发电磁场，而且变化的电场和磁场也可以互相激发。说明电磁场可以独立于电荷之外而存在。由此可见，电场和磁场互相激发形成统一的场----电磁场。变化的电磁场可以以一定的速度向周围传播出去。这种交变电磁场在空间以一定的速度由近及远的传播即形成电磁波。介质的电磁性质方程EPED0HMHB00为了求解麦克斯韦方程组，还需要知道介质的电磁性质方程：sJEJ必须指出：以上关系式只适用于某些介质。实验指出存在许多不同类型的介质，例如许多晶体属于各向异性介质，在这些介质内某些方向容易极化，另一些方向较难极化，使得D与E一般具有不同方向，关系就变成较为复杂的张量式。在强场作用下许多介质呈现非线性现象，使得D不仅与E的一次式有关，而且与E的二次式、三次式等都有关系。铁磁性物质的B与H的关系也是非线性的，而且是非单值的。在两介质的分界面上，一般会出现面电荷电流分布，使得物理量发生跃变，微分形式的麦克斯韦方程组不再适用。因此，在介质分界面上，需要用积分形式的麦克斯韦方程组描述界面两侧的场强以及界面上电荷电流关系。当电磁场从一种介质传播到另一种介质时，满足下面的边界条件：nnDD12012nnBB012ttEEttHH12电位移矢量法向跃变：电场强度矢量切向连续：磁场强度矢量切向跃变：磁感应强度矢量法向连续：其中，为自由电荷面密度，为自由电流线密度。电磁场边值关系场量跃变的原因是面电荷电流激发附加的电磁场波动方程和亥姆霍兹方程00)()(Maxwell,0,000HBEDtBEtDJHtBEtDJHJr并注意得方程组中对）中良好介质（波动方程为电磁波的传播速度其中ncvnctHcnHtEcnEr/,/100002222222222亥姆霍兹方程00220220222022222200kHnkHEnkEtHtE其中所以在频域中3、光在简单介质界面上的反射与折射n2(n1)n1OXZk1k1’k212'1//1E//2E'//1E'1E2E1E如右图所示，利用电磁场的边界条件，以垂直分量为例进行研究，可得入射波，反射波与折射波表达式分别为：),(11trEEy)]sincos(exp[111111zkxktjEy)](exp[111rktjEy),('1'1trEEy)]sincos(exp['11'11'1'1zkxktjEy)](exp['1'1'1rktjEy),(22trEEy)]sincos(exp[222222zkxktjEy)](exp[222rktjEy根据电场切向连续可得：2'11EEE)](exp[)](exp[)](exp[222'1'1'1111rktjErktjErktjEyyy2'11rkrkrk'121yyyEEE2'11由此可得反射波与折射波传播方向遵从的折反射定律。上式对于任何时刻及界面y=0上任何位置均成立，因而有：'112211sinsinnn反射定律：反射光位于入射光与界面法线所决定的平面内且。折射定理：折射光位于界面法线与入射光线所决定的平面内且。21122112//1'//1//coscoscoscosnnnnEEr211211//1//2//coscoscos2nnnEEt221122111'1coscoscoscosnnnnEEr22112112coscoscos2nnnEEt从前面的关系可以推出著名的菲涅耳公式：对于垂直于入射面的波场分量：对于平行于入射面的波场分量：从以上公式可以解释在两种情况下光从光疏介质入射到光密介质时出现的半波损失现象。1、垂直入射2、掠入射条形光波导的结构xyzn1n0n2n1n