第1章 光波导原理与器件概述.pptVIP

光导波原理与器件;第1章 光导波原理与器件概论 ;1.1.1 导波光学基本概念 ; 二十世纪六十年代激光的出现，使半导体电子学、导波光学、非线性光学等一系列新学科涌现出来。 二十世纪七十年，由于半导体激光器和光导纤维技术的重大突破，使以光通信、光信息处理、光纤传感、光信息存储与显示等为代表的光信息科学与技术得到迅速发展，导波光学已经成为光信息科学与技术的基础。 为了便于理解导波光学的含义，我们从相关的基本概念讲起。 ;1.1.1 导波光学基本概念 ;2、集成光路：集成光路指在光波导上制造微型的光学元件，并互连耦合为具有一定功能的光学系统，用以实现光的发射、传输、偏转、调制和探测功能的光路系统。 ;1.1.2 导波光学产生及发展过程 ;半导体激光器以材料的p-n结特性为基础，因此，半导体激光器常被称为二极管激光器或激光二极管。 20世纪60年代初期的半导体激光器是同质结型激光器，它是在一种材料上制作的p-n结二极管在正向大电流注入下，电子不断地向p区注入，空穴不断地向n区注入。;　　半导体激光器发展的第二阶段是异质结构半导体激光器，它是由两种不同带隙的半导体材料薄层，如GaAs, GaAlAs所组成。它是利用异质结提供的势垒把注入电子限制在GaAs p-n结的p区之内，以此来降低阈值电流密度，其数值比同质结激光器降低了一个量级，但单异质结激光器仍不能在室温下连续工作。 　　;1970年，实现了激光波长为900nm室温连续工作的双异质结GaAs-GaAlAs激光器。其结构的特点是在p型和n型材料之间生长了仅有0. 2μm厚的，不掺杂的，具有较窄能隙材料的一个薄层，因此注入的载流子被限制在该区域内(有源区)，这样注入较少的电流就可以实现载流子数的反转。;在半导体激光器件中，目前比较成熟、性能较好、应用较广的是具有双异质结构的电注入式GaAs二极管激光器。 随着异质结激光器的研究发展，人们想到将超薄膜( 20nm)的半导体层作为激光器的激活层，以致于能够产生量子效应。 由于MBE，MOCVD技术的成熟，在1978年出现了世界上第一只半导体量子阱激光器(QWL)。 子阱半导体激光器与双异质结(DH)激光器相比，具有阈值电流低、输出功率高，频率响应好，光谱线窄和温度稳定性好和较高的电光转换效率等许多优点。 　;QWL在结构上的特点是它的有源区是由多个或单个阱宽约为10nm的势阱所组成，由于势阱宽度小于材料中电子的德布罗意波的波长，产生了量子效应，连续的能带分裂为子能级。因此，特别有利于载流子的有效填充，所需要的激射阈值电流特别低。 半导体激光器的结构中应用的主要是单、多量子阱，单量子阱(SQW)激光器的结构基本上就是把普通双异质结(DH)激光器的有源层厚度做成数十nm以下的一种激光器，通常把势垒较厚以致于相邻势阱中电子波函数不发生交迭的周期结构称为多量子阱(MQW )。 ;长春理工大学;1.2 导波光学系统构成及优点 ;1.2.1 导波光学系统构成 ; 导波光学系统是在同一块衬底上尽量制作多个微型的光学元器件，因而不存在离散光学器件所具有的组装问题，不仅可以保持光学元器件相对位置不变，而且对振动和温度等环境因素的适应性也比较强。另外，由于各个光学元件用衬底内部或表面上形成的光波导连接起来，因此，光波容易控制和保持其能量。;1.2.2 导波光学系统优点 ;其次，虽然电子计算机已经进入大规模和超大规模集成电路的时代，但其运算速率始终受限于固体电子器件中电子运动的速度，而光子计算机以光速运动的光子为工作的基础，其理论计算速率可高达1010～1011次/秒，它比目前计算速率最快的电子计算机高100～1000倍。;第三，空间上多道阵列、多频段以致三维立体的光学存储及处理的特点，使光存储和处理的容量可达到1018kbit的“海量信息”。如果用集成光路来实现光信号的逻辑运算、传送和处理，则可制成体积小、速度快、容量大的“全光计算机”。光子计算机与电子计算机相比有着并行处理、信号互不干扰、开关速度快、光速传递、宽带以及信息容量极大的优点。 ;总的来说，用集成光路代替集成电路的优点包括带宽增加，波分复用，多路开关，耦合损耗小，尺寸小，重量轻，功耗小，成批制备，可靠性高等。由于光和物质的多种相互作用，还可以在集成光路的构成中，利用诸如光电效应、电光效应、声光效应、磁光效应、热光效应等多种物理效应，实现新型的器件功能。 ;1.3.1 光波导宽带光调制器 ;至今已经实用化了的制成品仍然比较少。本节将对集成光路中成熟程度比较高的若干光波导器件进行介绍。 ;1.3.1 光波导宽带光调制器 ;第1章 光导波原理与器件概论;;1.3.2 光波导开关 ; 1、分支型开关阵列。在器件长度比较短、适