光电子物理基础 第六章 集成光学

第六章集成光学6.1集成光学的光传播理论1.消逝场：介质波导中，场要穿入光约束层内一定深度2.光波导结构n2n3n1界面全反射，锯齿波z向传播,分解为两个分量,相位常数分别为β、γ,k02n2=β2+γ23.相位突变界面全反射时，反射波要产生相位突变对TE波对TM波其中p、q为消逝系数)arctan(22)arctan(222312pq)arctan(22)arctan(22232223212212npnnqn2/1212022/123202)()(nkqnkp反射波发生相位突变的物理意义全反射时，光穿入约束层内一定厚度，导致反射波与入射波相位的不连续古斯-汉兴位移：反射光横向移动了距离光线穿入介质层1中的厚度穿入介质层3中的深度为1/p,波导的有效厚度qddz2212qzw1'tan2qpwweff/1/13.相位常数γ的波横向传播，形成驻波，建立横向共振条件即m是导波的模阶数，不同的m，对应一系列的β。该方程称为模式方程（特征方程、本征值方程）4.对称波导，非对称波导，强非对称波导mwmw2312231222225.波导中光波的传播，对于TE波，解波动方程解的形式Y方向，波不受约束，场与y无关得到方程组区域1区域2区域3边界条件：Σ(x)和在1-2，2-3界面处连续22222)(tEcntEyiy)](exp[)(),,(ztixtzxEyy0)()()(0)()()(0)()()(y223202y2y222202y2y221202y2xnkxxxnkxxxnkxxxx/)(讨论1.βk0n2，三个区域内，Σ(x)为指数函数，没意义。2.k0n2β(k0n3,k0n1),区域1，3内Σ(x)为指数函数，2内为正弦函数。能量被限制在层2内，称为束缚模或导模。3.k0n3βk0n1，区域1内Σ(x)为指数函数，2，3内为正弦函数。称为衬底辐射模。4.(k0n3,k0n2,k0n1)β,三个区域内，Σ(x)为正弦函数，称为波导辐射模。结论：导模存在的条件：k0n2β(k0n3,k0n1)利用边界条件解得其中区域1，3中场是指数衰减的，衰减的快慢分别由q、p决定，q、p值越大，衰减越快，穿透深度越小。同时得到这与（6.1.1）模式方程是一致的。wxwxpwqwCxwxqxCxqxCy)](exp[)]sin()/()[cos(0)]sin()/()[cos(0)exp(2/1232022/1212022/122220)()()(nkpnkqnk)/1(/)()tan(2pqqp6.截止条件对于厚2w的对称波导波导层2中，随着θ的增加，β值减小，直到β=k0n3，界面2-3不再产生全反射，此时就是导波截止条件。厚度2w的对称波导传导m阶导模的必要条件：0qp1030nknk0)2tan(wmw2mnkw2/122220)(2mnnwk2/123220)(2mnnw2/123220)(4222023232wnmnnn由波导中场分布图比较可知(图6-4，6-5）：厚度2w的对称波导m=2M+1阶导模场分布沿x中心分一半，与厚度w的非对称波导M阶导模场分布近似相同厚度w的非对称波导中传播M阶导模的截止条件与厚度2w的对称波导中传播m=2M+1阶导模的截止条件相同厚度w的非对称波导中传播M阶导模的截止条件*Δn~λ;Δn~w;Δn~M22202323212wnMnnn6.2薄膜器件原理6.2.2薄膜激光器薄膜激光器要求：效率高，功耗低；性能；激励简单；容易耦合。激励方式：电激励，光激励受激发射时的活性物质：染料、固体：Nd3+离子、半导体：GaAsGaxAl1-xAs光反馈：解理面、分布反馈、周期结构1.半导体激光器的基础知识半导体的能带结构（a)费米-狄拉克统计分布：热平衡下，一个电子占据一个能量为E的能级的几率：半导体加正向电压时的能带结构(b)势垒降低，导电性增加kTEEeFef/)(11半导体激光器中，要求高掺杂，费米能级进入价(导)带内部。加正向电压时，势垒降低为e(Vd-V)费米能级分离eV=EFn-EFp当EFn-EFpEg,,即导带能级为电子占据的几率大于价带能级为电子占据的几率。粒子数反转条件。导带中的电子向下跃迁到价带，与价带中的空穴复合产生受激辐射。半导体激光器的解理面反馈同质结；异质结；双异质结2.双异质结半导体激光器3.生长台面型激光器图6-8中6:p-GaAs5:p-AlxGa1-xAs4:p-GaAs3:n-AlxGa1-xAs2:外部波导1:光约束层4.分布反馈技术布拉格反射分布反射光栅中得到光栅周期一定时，只有该式确定的特定波长的光才能受到强烈的反射m=1，一级光栅m=3，三级光栅*解理面反馈激光器中，发射光谱多个峰值分布反馈激光器中，一个峰，可选纵模λ〜ΛmdBsin2ndB,90mn/201)集成DFB(分布反馈)激光器a.P型杂质扩散或注入n-Ga1-xAlxAs的局部区域内，形成层p-Ga1-xAlxAs，从而构成p-n结b.正向大电流注入→有源区光放大，再经过分布反馈结构光反射(100%)→产生激光直接耦合入n-Ga1-yAlyAs波导层中传播。有晶格缺陷，形成复合中心，增加损耗2)集成DBR(分布布拉格反射式)激光器光栅不在反转区，而是做在有源区外面的波导层上。光栅被分成两部分，分别处于有源区两端。6.2.3薄膜耦合器内耦合：波导波导外耦合：输入输出波导要求：耦合效率；集成化1.内耦合类型及其应用a.尖劈薄膜耦合器结构原理：导波沿锯齿路径到尖劈区域，每一次反射的入射角比上一次减小，若干次后，入射角小于全反射角，形成基底模（衬底辐射膜）从衬底输出。b.波导定向耦合器平行放置，间隙小，消逝场耦和2.外耦合类型及其机制a.直接耦合：利用一透镜将激光束聚焦，直接照射到波导的端部。效率低：薄膜薄，端面不平b.棱镜耦合器提高了耦合效率：耦合方式连续耦合结构：n3n1n4n2原理：当θ3θ3c时，入射棱镜激光束A3与棱镜底部反射光B3合成驻波场→扩散到空气隙，按exp[-(k0n3sinθ3)x]衰减→继续扩散到薄膜中形成导膜(消逝场)θ3θ3c和θ3θ3c时的本征模；只有θ3θ3c时棱镜与薄膜波导间才能有效耦合•若薄膜中某一波矢量A1满足k0n1sinθ1=k0n3sinθ3(θ3改变→激发起其他的TE、TM膜)，穿入到空气隙与棱镜的消逝场相互耦合，由波动方程时时时饱和131SaTadzda0z311;0Tadzdaazdzdaa11;0tzz0;113dzdaSaTa增加a点的耦合，减小b点的耦合，可提高耦合效率→劈隙耦合：81%→88%，甚至90%c.光栅耦合在薄膜上做周期光栅原理：由包层或衬底照射到光栅的激光束产生衍射激光束，若某一级衍射光束的衍射角γ和导模的模角θi相等，则在薄膜中激励起导模。由光栅方程衍射光沿向位相变化即位相匹配条件提高耦合效率：减小光栅损耗；选择光栅结构参数缺点：效率低；频带窄lnni)sinsin('2'11/2)sinsin(/2'2'11lnni/2li6.2.4薄膜调制器利用电光、声光、磁光效应，实现光波的调制、偏转和开关优点：a.导波介质就是调制介质b.有一定的模式限制，易于实现模的转换、截止和开关c.厚度薄，外加电压小，调制效率高1.波导型电光调制器结构：衬底：Ga1-xAlxAs高电导波导：Ga1-yAlyAsyx电极上加反向偏压原理：波导电光调制器中波导与衬底间总的折射率差Δnt由三部分组成：波导与衬底材料的化学组分不同引起Δnch波导电光效应ΔnEO波导与衬底自由载流子浓度差引起ΔnCCR厚度w的非对称波导中传输零阶导模必须满足条件1)若选择未加调制电压部分导通状态加调制电压导通状态电光强度调制2)若选择未加调制电压关闭状态加调制电压导通状态光开关202)(321nnnCCRch20232)(321nnnn0EOn0EOn202)(321nnnCCRch0EOn202)(321nnnnEOCCRch2.波导型声光调制器波导型布拉格调制器：厚光栅原理：只出现零级和一级衍射光束，其他级衍射光由于二次衍射作用产生相位失配而不存在由衍射理论其中且声强度IS随调制信号改变时，输出的衍射光强随调制信号而变化，起到了强度调制作用调制器结构)2/(sin/)2/(cos/2120iiIIII/2nLSIn