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1、平板波平板波导导几何光学分析几何光学分析 2012年年2月月选选修修课课汪平河汪平河/刘永刘永 共共40学学时时（周二（周二9-11节节，三教，三教102）I ： 理理论论II： 技技术术光波光波导导理理论论与技与技术术平板波平板波导导几何光学分析几何光学分析 2012年年2月月教学目的 通过本课程的学习，要求学生：通过本课程的学习，要求学生：了解集成光学的基本概念，了解集成光学的基本概念，熟练掌握光波在平板介质波导中的传输特性熟练掌握光波在平板介质波导中的传输特性掌掌握握集集成成光光波波导导器器件件的的制制备备材材料料、典典型型结结构构、工工作原理及基本制备工艺过程，作原理及基本制备工艺过程
2、，掌握光波导器件的参数测试技术，掌握光波导器件的参数测试技术，了解光波导技术的应用及发展现状。了解光波导技术的应用及发展现状。 平板波平板波导导几何光学分析几何光学分析 2012年年2月月教学内容 第一章：集成光学概论第一章：集成光学概论 第二章：导波光学理论 第一节第一节 平板光波导的射线光学分析（平板光波导的射线光学分析（4 4学时）学时）第二节第二节 平板光波导的波动方程分析（平板光波导的波动方程分析（4 4学时）学时）第三节第三节 条形光波导的波动方程分析（条形光波导的波动方程分析（4 4学时）学时）第四节第四节 耦合模理论（耦合模理论（4 4学时）学时）第三章：光波导器件与集成技术（
3、22学时）第一节第一节 集成光学材料（集成光学材料（2 2学时）学时）第二节第二节 光波导的主要制作和集成技术（光波导的主要制作和集成技术（8 8学时）学时）第三节：光波导的损耗（第三节：光波导的损耗（1 1学时）学时）第四节：光波导参数测试第四节：光波导参数测试(1(1学时学时) ) 第五节第五节 集成光波导器件集成光波导器件 (8 (8学时学时) )第六节：集成光学的应用及发展趋势第六节：集成光学的应用及发展趋势(2(2学时学时) )平板波平板波导导几何光学分析几何光学分析 2012年年2月月考核方式与成绩评定考核方式：闭卷笔试考核方式：闭卷笔试成成绩绩评评定定：平平时时考考核核成成绩绩（
4、出出勤勤，实实践践表表现现及及作作业业）占占20%，期期末末考试成绩占考试成绩占80%。教材及主要参考书目教材：光波导理论与技术，李玉权光波导理论与技术，李玉权 崔敏，人民邮电出版社，崔敏，人民邮电出版社，2002参考书：Integrated Optics: Theory and Technology，sixth Edition, R.G.Hunsperger, Springer Verlag, 2009 介质光波导及其应用介质光波导及其应用, 秦秉坤等秦秉坤等,北京理工大学出版社，北京理工大学出版社，1991光波导技术理论基础光波导技术理论基础, 叶培大等叶培大等, 北京邮电大学出版社北京邮
5、电大学出版社,2002Optical Integrated Circuits，Hiroshi Nishihara, Masamitsu Haruna, Toshiaki Suhara，McGraw-Hill Professional, 1989集成光学，集成光学， 蔡伯荣主编蔡伯荣主编 电子科技大学出版社出版，电子科技大学出版社出版，1998徐国昌徐国昌,光电子物理基础光电子物理基础M.东南大学出版社东南大学出版社:2000.光波导模式理论，马春生、刘式墉，吉林大学出版社，光波导模式理论，马春生、刘式墉，吉林大学出版社，2006平板波平板波导导几何光学分析几何光学分析 2012年年2月月 导导
6、波光学波光学 （20学学时时） 汪平河汪平河 光光电电学院学院416房房间间 电话电话83205564 光光 波波 导导 理理 论论绪论绪论 2012年年2月月平板波平板波导导几何光学分析几何光学分析 2012年年2月月集成光学概集成光学概论论1.1 集成光学的概念1.2 集成光学的特点1.3 集成光学的发展和现状1.4 研究集成光学的意义平板波平板波导导几何光学分析几何光学分析 2012年年2月月1.1 1.1 集成光学的概念集成光学的概念1. 集成电路集成电路(integrated circuit, IC)1957年，得克萨斯仪器公司的基尔毕年，得克萨斯仪器公司的基尔毕(Kirby)发明集
7、成电路发明集成电路2006年年，被被集集成成的的晶晶体体管管个个数数达达到到两两亿亿个个；今今年年，美美国国英特尔集成了英特尔集成了23亿个晶体管（目前最高水平）。亿个晶体管（目前最高水平）。“集成集成”成为了一种潜力难以估量的成为了一种潜力难以估量的科学技术手段科学技术手段。1947年，贝尔研究所的肖克利（年，贝尔研究所的肖克利（Shockley）、巴丁）、巴丁（Bardeen）、布拉顿（）、布拉顿（Brattain）发明晶体管）发明晶体管 平板波平板波导导几何光学分析几何光学分析 2012年年2月月His idea founded a new industryHas Nobel price
8、 in physics year 2000The first integrated circuit平板波平板波导导几何光学分析几何光学分析 2012年年2月月2.集成光学概念的提出集成光学概念的提出集成光学的概念是1969年美国贝尔实验室的Miller博士提出的(Integrated Optics: An Introduction, Bell System Technical Journal, 1969, 48:20592061)集成光学发展初期，美国华裔科学家田柄耕假借集成电路的概念，对集成光学归纳了三条定义：（1）光束能限制在光波导中传播；（2）利用光波导可以制成各种光波导器件；（3）将光
9、波导和光波导器件集成起来可构成有特定功能的集成光路目前，“集成光学”的概念涵盖广泛的内容。平板波平板波导导几何光学分析几何光学分析 2012年年2月月按集成的方式划分：个数集成和功能集成按集成的类型划分：光子集成回路（PIC）和光电子集成回路（OEIC）按集成的技术途径划分：单片集成和混合集成按研究内容划分：导波光学和集成光路平板波平板波导导几何光学分析几何光学分析 2012年年2月月3.集成光学的定义集成光学的定义(1)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。(2)集成光学是研究介质薄膜中的光学现象，以及光学元器件集成化的一
10、门学科。(3)集成光学是研究集成光路特性和制造技术以及与微电子学相结合的学科。平板波平板波导导几何光学分析几何光学分析 2012年年2月月4. 从四个方面理解集成光学的概念：(a)理论基础：光学和光电子学(b)工艺基础：薄膜技术、微电子工艺(c)主要目的：实现光学系统的薄膜化、微型化和集成化(d)主要应用：光纤通信、光子计算机、光纤传感、光学信息处理等平板波平板波导导几何光学分析几何光学分析 2012年年2月月集成光学主要应用（一）集成光学主要应用（一）光纤通信光纤通信1.光纤通信光集成器件是实现高速率大容量光通信网络的关键硬件和必由之路，包括高速响应集成激光源、波导光栅阵列密集波分复用器、窄
11、带响应集成光电探测器、路由选择的波长变换器、快速响应光开关矩阵、低损耗多址波导分束器等。平板波平板波导导几何光学分析几何光学分析 2012年年2月月集成光学主要应用（二）集成光学主要应用（二）光子计算机光子计算机光子计算机： 光子计算机是一种全新的计算机，是以光子作为主要的信息载体，以光子系统作为计算机的主体，以光运算作为计算机运算方式的计算机。光子计算机的优点： (a)具有超高的运算速度 串行电子计算机的极限速度是1010次/秒，而光子计算机的理论计算速度达1023次/秒，在技术上可实现10121015次/秒的计算速度(b)具有超并行性工作的能力(c)具有极高的信息存储能力比电子计算机高10
12、6109倍。 平板波平板波导导几何光学分析几何光学分析 2012年年2月月集成光学主要应用（三）集成光学主要应用（三）光纤传感光纤传感光纤传感器具有抗电磁干扰和原子辐射、重量轻、体积小、绝缘、耐高温、耐腐蚀等众多优异的性能，能够对应变、压力、温度、振动、声场、折射率、加速度、电压、气体等各种参数进行精确测量，能够适应极端恶劣的环境。同时，由于光纤传输损耗低、频带宽，使得光纤传感器在组网和传输距离方面，与传统的传感器相比具有无可比拟的优势。平板波平板波导导几何光学分析几何光学分析 2012年年2月月经过40年的发展，集成光学不再是当初把几个光学器件集成在一起的简单概念，而是一个集光学、激光、微电
13、子学、光电子学、通信、薄膜技术等为一体的独立的交叉学科，是当今光学和光电子学领域的发展前沿之一，是光学发展的必由之路和高级阶段。平板波平板波导导几何光学分析几何光学分析 2012年年2月月1.2 集成光学的特点集成光学的特点平板波平板波导导几何光学分析几何光学分析 2012年年2月月1.2.1 集成光学系统与离散光学器件系统的比较集成光学系统与离散光学器件系统的比较(1)光波在光波导中传播，光波容易控制和保持其能量。(2)集成化带来的稳固定位。 (3)器件尺寸和相互作用长度缩短；相关的电子器件的工作电压也较低。(4)功率密度高。沿波导传输的光被限制在狭小的局部空间，导致较高的功率密度，容易达到
14、必要的器件工作阈值和利用非线性效应工作。 (5)体积小，重量轻。集成光学器件一般集成在厘米尺度的衬底上，其体积小，重量轻。平板波平板波导导几何光学分析几何光学分析 2012年年2月月1.2.2 集成光路与集成电路的比较集成光路与集成电路的比较用用集集成成光光路路代代替替集集成成电电路路的的优优点点包包括括带带宽宽增增加加，波波分分复复用用，多多路路开开关关。耦耦合合损损耗耗小小，尺尺寸寸小小，重重量量轻轻，功功耗耗小小，成成批批制制备备经经济济性性好好，可可靠靠性性高高等等。由由于于光光和和物物质质的的多多种种相相互互作作用用，还还可可以以在在集集成成光光路路的的构构成成中中，利利用用诸诸如如
15、光光电电效效应应、电电光光效效应应、声声光光效效应应、磁磁光光效效应应、热热光光效效应应等等多多种种物物理理效效应应，实现新型的器件功能。实现新型的器件功能。把激光器、调制器、探测器等有源器件集成在同一衬底上，把激光器、调制器、探测器等有源器件集成在同一衬底上，并用光波导、隔离器、耦合器和滤波器等无源器件连接起来并用光波导、隔离器、耦合器和滤波器等无源器件连接起来构成的微型光学系统称为构成的微型光学系统称为集成光路集成光路，以实现光学系统的薄膜，以实现光学系统的薄膜化、微型化和集成化。化、微型化和集成化。平板波平板波导导几何光学分析几何光学分析 2012年年2月月1光波导具有非常宽的带宽2光子
16、器件中光子运动速度比电子器件中电子高得多，而且没有导线电容和电感对频率的限制3在同一光路上可以传输和处理多个或多频率的信号，即实现“波分多路复用”4在空间上可以实现一维或二维以致三维立体的多路阵列传输及存储、处理5较小的尺寸、重量，较低功耗6成批制造的前景和经济性7改善可靠性8改善光学连接及对准的稳定性和可靠性，避免由于震动带来的系统不稳定或失败9降低成本（制造、应用、维护、升级）集成光路的优点平板波平板波导导几何光学分析几何光学分析 2012年年2月月光元器件与电子元器件的特性比较光元器件与电子元器件的特性比较特征项光元器件电子元器件(a)基本作用光波导中的光传输及光与电子/晶格的相互作用衬
17、底表面附近的电子传输与控制(b)基本元器件光波导，半导体激光器等晶体管、电阻、电容(c)元器件尺寸（厚度方向）波长（微米）量级，个别达到纳米量级数十纳米至数微米(d)元器件尺寸（长度方向）微米至数毫米，个别达到纳米级数十纳米至数微米(e)与其他部件的连接稍难需要精密的位置精度（m），光波导容易电气布线，导体(f)元器件可靠性有问题，通常需要检测全部元器件几乎没有问题，通常进行抽验(g)元器件制造工艺多样，研究开发中基本平面工艺，已成熟平板波平板波导导几何光学分析几何光学分析 2012年年2月月1.3 集成光学的发展和现状集成光学的发展和现状1962年年开开发发出出了了第第一一个个半半导导体体同
18、同质质结结激激光光二二极极管管，但但其其效效率率较低，阈值电流较大，不能在室温下连续工作。较低，阈值电流较大，不能在室温下连续工作。1967年年异异质质结结外外延延生生长长技技术术的的出出现现，拉拉开开了了半半导导体体激激光光器器实实用化的序幕用化的序幕。1969年，年，S. E. Miller提出提出“集成光学集成光学”概念概念1970年年实实现现了了激激光光二二极极管管的的室室温温连连续续工工作作。此此后后，分分布布反反馈馈式式和和分分布布布布拉拉格格反反射射器器式式激激光光器器、量量子子阱阱和和应应变变量量子子阱阱激激光光器器、垂垂直直腔腔面面发发射射激激光光器器、半半导导体体激激光光器
19、器阵阵列列等等半半导导体体激激光光器器、半半导导体体光光放放大大器器和和集集成成光光源源不不断断涌涌现现，为为集集成成光光学学长长远远的发展奠定了基础。的发展奠定了基础。 1.3.1 发展简史发展简史平板波平板波导导几何光学分析几何光学分析 2012年年2月月1972年年，Somekh和和Yariv提提出出了了在在同同一一个个半半导导体体衬衬底底上上同时集成光器件和电子器件的构想。同时集成光器件和电子器件的构想。1987年年，Yablonovitch和和John大大约约同同时时提提出出了了光光子子晶晶体体（photonic crystal, PC）的概念。）的概念。 2003年年，科科学学家家
20、开开发发出出制制备备纳纳米米线线的的新新方方法法。纳纳米米线线提提供供了了尺尺度度远远远远小小于于光光波波长长的的导导光光结结构构，它它与与有有关关纳纳米米尺尺度度的的微微腔腔和和激激光光器器的的技技术术配配合合，可可望望用用于于制制作作各各种种纳纳米米光光集集成成器件。器件。目前，集成光学主要是研究和开发光通信、光学信息处理、光子计算机和光传感等所需要的多功能、稳定、可靠的光集成体系和混合光电集成体系等。1970年研制成功了低损耗光纤，目前光纤的传输损耗已经年研制成功了低损耗光纤，目前光纤的传输损耗已经降低到了降低到了0.2dB/km以下。以下。 平板波平板波导导几何光学分析几何光学分析 2
21、012年年2月月平板波平板波导导几何光学分析几何光学分析 2012年年2月月1.3.2发展新特点发展新特点(1)集成光学已从实验室走向生产阶段，从初期的纯波导理论研究进入集成光学器件和集成光路的设计、制作研究阶段。(2)已从单一的玻璃或铌酸锂材料发展到今天的多种材料，特别是硅基和聚合物基材料的开发为集成光学进入工程应用打下了基础。(3)以IIIV族半导体为衬底的集成光学达到迅猛发展。(4)目前集成光学已进入实质的工程应用，光通信和光信息处理是集成光学两大类重要应用领域。平板波平板波导导几何光学分析几何光学分析 2012年年2月月平板波平板波导导几何光学分析几何光学分析 2012年年2月月1.3
22、.3 集成光学国际研究进展集成光学国际研究进展主要集中在理论与器件两个方面：主要集中在理论与器件两个方面：1. 理论研究热点主要集中在以下两个方面：理论研究热点主要集中在以下两个方面：1）围围绕绕新新型型集集成成光光学学器器件件的的结结构构设设计计、功功能能模模拟拟与与特特性性参数的计算等是目前集成光学理论研究的一个热点。参数的计算等是目前集成光学理论研究的一个热点。理理论论上上对对于于集集成成器器件件的的结结构构和和性性能能模模拟拟通通常常使使用用计计算算机机辅辅助助设设计计与与数数值值计计算算的的方方法法，如如传传递递矩矩阵阵法法（TMM）、光光束束传传播播法法（BPM）、时时域域有有限限
23、差差分分法法（FDTD）和和有有限限元元法法（FEM）等等都都有有效效地地用用于于集集成成光光学学器器件件的的模模拟拟与与计计算算，并并用于实现集成器件结构的优化。用于实现集成器件结构的优化。设设计计方方法法有有两两类类：一一是是从从基基本本原原理理入入手手，设设计计具具有有一一定定功功能能的的光光学学器器件件；二二是是直直接接从从功功能能角角度度出出发发，以以提提高高器器件件性性能能，减少器件损耗，或者使器件性能具备特色等。减少器件损耗，或者使器件性能具备特色等。平板波平板波导导几何光学分析几何光学分析 2012年年2月月对对于于集集成成光光学学器器件件特特性性参参数数的的分分析析是是理理论
24、论研研究究的的另另一一个个热热点点，研研究究其其特特性性参参数数及及其其相相互互关关系系，分分析析其其中中相相互互作作用用，有有利利于于深入剖析物理概念。深入剖析物理概念。2）基础理论研究）基础理论研究主主要要集集中中在在两两类类：一一是是基基于于固固体体物物理理学学的的基基本本理理论论和和方方法法，研研究究和和探探讨讨制制作作微微观观集集成成光光学学器器件件的的可可能能性性；二二是是基基于于波波动动光光学学的的理理论论和和方方法法，从从导导波波光光学学的的角角度度来来研研究究集集成成光光学学器件。器件。2. 集成光学器件的研究进展集成光学器件的研究进展1）目目前前大大部部分分集集成成光光学学
25、器器件件的的研研究究仍仍集集中中在在光光通通信信领领域域：高高速速响响应应、低低啁啁啾啾、单单稳稳频频集集成成激激光光器器，可可调调谐谐激激光光器器，多多波波长长DFB激激光光器器阵阵列列，窄窄带带响响应应可可调调谐谐集集成成光光子子探探测测器器，高高速速单片集成光接收器，单片集成光接收器，AWG平板波平板波导导几何光学分析几何光学分析 2012年年2月月2）集成光学传感器）集成光学传感器3）其他集成光学器件：）其他集成光学器件：MEMS，混合集成光隔，混合集成光隔离器，聚合物光波导光束偏转器等离器，聚合物光波导光束偏转器等4）纳米光子学）纳米光子学平板波平板波导导几何光学分析几何光学分析 2
26、012年年2月月1.4 研究集成光学的意义研究集成光学的意义人人类类进进入入一一个个高高度度信信息息化化的的社社会会，由由Tb/s信信息息传传输输、Tb/s信信息息处处理理和和Tbit信信息息存存储储所所构构成成的的三三“T”模模式式将将成成为为人人类类数数字字化生活最显著的标志。化生活最显著的标志。 信息光电子技术也是保障国防安全的核心技术之一。信息光电子技术也是保障国防安全的核心技术之一。光光电电子子技技术术在在未未来来的的信信息息社社会会中中必必将将扮扮演演重重要要的的角角色色，将将成为成为21世纪的基石和支柱之一。世纪的基石和支柱之一。集集成成光光学学作作为为现现代代光光电电子子学学的
27、的一一个个重重要要分分支支，各各国国从从事事光光电电子子、光光信信息息系系统统研研究究的的专专家家、学学者者都都意意识识到到了了集集成成光学系统的重要性。光学系统的重要性。平板波平板波导导几何光学分析几何光学分析 2012年年2月月1972年年由由美美国国光光学学协协会会(Optical Society of America)主主办办召召开开了了集集成成光光学学主主题题会会议议（Topical Meeting on Integrated Optics），这这是是关关于于集集成成光光学学研研究究的的第第一一次次会会议议，具具有有深深远远的的 意意 义义 ； 后后 改改 名名 为为 Integra
28、ted and Guided Wave Optics（ IGWO） ； 1990年年 起起 又又 更更 名名 为为 Integrated Photonics Research（IPR），每年召开一次。），每年召开一次。第第一一届届集集成成光光学学和和光光纤纤通通信信国国际际会会议议（IOOC）于于1977年年在在日本东京召开，从此每隔一年召开一次。日本东京召开，从此每隔一年召开一次。日本把日本把OEC（Optoelectronics Conference，光电子学会，光电子学会议）作为日本国内的会议，从议）作为日本国内的会议，从1986年起隔一年召开一次。年起隔一年召开一次。平板波平板波导导几
29、何光学分析几何光学分析 2012年年2月月欧欧洲洲每每年年还还要要召召开开欧欧洲洲集集成成光光学学会会议议ECIO（European Conference on Integrated Optics）。）。 我我国国，集集成成光光学学的的研研究究是是从从1970年年开开始始的的，发发展展也也十十分分迅迅速速。1981年年召召开开第第一一届届全全国国集集成成光光学学学学术术会会议议，此此后后，每每隔隔一一年年召召开开一一次次。1986年年，我我国国启启动动的的“863”计计划划中中，将将光光电电子子器器件件及及其其集集成成技技术术选选为为信信息息领领域域的的三三大大主主题题之之一一。从从1986年
30、年至至今今，国国家家自自然然科科学学基基金金委委员员会会给给光光电电子子研研究究给给予予了了大大力力支支持持，所所资资助助的的项项目目大大约约200多多项项，其其中中包包括括有有源源和和无无源源器器件件及及其其集集成成相相关关的的理理论论、方方法法、材材料料研研究究、器器件件与与制作工艺研究及集成光学系统研究等。制作工艺研究及集成光学系统研究等。平板波平板波导导几何光学分析几何光学分析 2012年年2月月973计划支持的光电子研究项目（一）计划支持的光电子研究项目（一）19982007年年平板波平板波导导几何光学分析几何光学分析 2012年年2月月973计划支持的光电子研究项目（二）计划支持的
31、光电子研究项目（二）2010年项目年项目序号项目名称申报单位首席科学家1新型光电子器件中的异质兼容集成与功能微结构体系基础研究 北京邮电大学 任晓敏 2超高频、大功率化合物半导体器件与集成技术基础研究 中国科学院微电子研究所 刘新宇3超高速超大容量超长距离光传输基础研究 武汉邮电科学研究院 余少华4重大灾害信息获取光纤传感网络及器件基础研究 华中科技大学 姜德生 5新一代光纤智能传感网与关键器件基础研究 天津大学 刘铁根6光电功能晶体结构性能、分子设计、微结构设计与制备过程的研究 南京大学 王牧 7氧化锌掺杂及相关器件的基础物理问题研究 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 申德振 8纳米磁
32、性自旋存储器和半导体硅量子点存储器的研制及其器件物理研究 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 季明华 平板波平板波导导几何光学分析几何光学分析 2012年年2月月将将从从事事光光电电子子器器件件和和光光信信息息系系统统的的专专家家、学学者者结结合合起起来来，研研制制所所谓谓的的“集集成成化化系系统统”（integratd system）已已成成为为美美国国信信息息光光电电子子研研究究的的一一个个新新的的动动向向，集集光光机机电电于于一一体体的的“芯芯片片系系统统”（system on chip）也将由梦想变为现实。）也将由梦想变为现实。 日本政府也将集成光学研究列在十大优先发展技术的范围之内
33、。日本政府也将集成光学研究列在十大优先发展技术的范围之内。随随着着光光子子集集成成、光光电电集集成成和和微微型型光光学学电电子子机机械械等等技技术术的的发发展展，器器件件与与系系统统之之间间界界限限的的模模糊糊化化，将将大大量量的的光光子子器器件件、光光电电子子器器件件和和电电子子器器件件集集成成在在一一个个很很小小的的芯芯片片上上，甚甚至至将将相相当当复复杂杂的的含含有有这这些些器器件件的的通通信信、信信息息系系统统集集成成在在一一个个很很小小的的芯芯片片上上，均已逐渐成为可能。均已逐渐成为可能。平板波平板波导导几何光学分析几何光学分析 2012年年2月月平板波平板波导导几何光学分析几何光学分析 2012年年2月月平板波平板波导导几何光学分析几何光学分析 2012年年2月月平板波平板波导导几何光学分析几何光学分析 2012年年2月月平板波平板波导导几何光学分析几何光学分析 2012年年2月月平板波平板波导导几何光学分析几何光学分析 2012年年2月月
