平面介质光波导和耦合模理论

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1、浙江大学光电系第二章平面介质光波导和耦合模理论1第二章平面介质光波导和耦合模理论浙江大学光电系：时尧成yaocheng@zju.edu.cn13732241781http://mypage.zju.edu.cn/yaocheng浙江大学光电信息工程学系《集成光电子器件及设计》浙江大学光电系第二章平面介质光波导和耦合模理论2第二章平面介质光波导和耦合模理论平面介质光波导（光波导理论）光波导的结构；平板光波导，条形光波导，阶跃折射率光波导，渐变折射率光波导；模式，导模，基底模，辐射模，传播常数；平板光波导中的TE模和TM模；条形光波导中的模和模；耦合模理论模式耦合，平行耦合，反向耦合

2、的概念；平面介质光波导的耦合模微扰理论；导模之间的耦合，导模与辐射模之间的耦合；定向耦合器和分支Y波导；浙江大学光电系第二章平面介质光波导和耦合模理论32.1平面介质光波导2.1.1平面介质光波导概述什么是集成光学？平面光波导概述2.1.2平板光波导的分析方法射线光学法波动方程法2.1.3条形光波导的分析方法马卡梯里法等效折射率法数值方法目前，“集成光学”的概念涵盖广泛的内容。1969年美国贝尔实验室的Miller博士（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美国华裔科学家田柄耕假借集成电路

3、的概念，对集成光学归纳了三条定义：概念的提出什么是集成光学？从四个方面理解集成光学的概念：理论基础光学光电子学工艺基础薄膜技术微电子工艺主要目的实现光学系统的薄膜化、微型化和集成化主要应用光纤通信光子计算机光纤传感光学信息处理等集成光学的分类按集成的方式划分个数集成功能集成按集成的类型划分光子集成回路（PIC）光电子集成回路（OEIC）按集成的技术途径划分单片集成混合集成按研究内容划分导波光学集成光路浙江大学光电系第二章平面介质光波导和耦合模理论7个数集成功能集成电子学的发展过程：从真空管器件的真空电子学以晶体管为基础的固体电子学以集成电路为标志的集成电子学。光子学也将有类似

4、的发展过程：多元化的各种类型的激光器、光电探测器，并将向以微纳光子器件及光子集成器件为标志的集成光学的方向发展。集成电子学和集成光学8集成光学正经历着于集成电子学同样的发证轨迹：更小的单个器件。更紧密的集成。更低成本的加工工艺。……intel40041971IBMCELL2005transistorradio1954分立元件集成光学芯片纳米集成光学芯片集成电子学和集成光学9但是……集成电路（ElectronicIntegratedCircuits）。1958年发明↓60年代：导弹制导芯片，小规模集成电路70年代：计算器，中大规模集成电路集成光路（PhotonicIntegrate

5、dCircuits）。1969年发明↓1995左右：商用AWG波分复用器<10年~25年为什么？10摩尔定律1965年，intel公司的G.Moore提出：CMOS芯片单位面积的三极管数量每24个月翻一倍。11光子学摩尔定律12LaserPhotonicsRev.6,No.1,1–13(2012)摩尔定律13集成电子学单一材料：硅（并且他的氧化物SiO2是绝好的绝缘体）单一平台：CMOS单一基本元器件：三极管统一的ITRS路线图（由几家大的国际企业定制）尺寸：10nm几个μm集成光学许多不同种类且不兼容的材料：GaAs,InP,聚合物,LiNbO3,...许多不同的制作工艺配方

6、。许多基本元器件：激光器，探测器、调制器、滤波器...不同公司单独推行自己的解决方案。尺寸：几个μm几个cmIBMCellProcessor集成电子学vs集成光学14集成光学国际研究进展－理论、器件围绕新型集成光学器件的结构设计、功能模拟与特性参数的计算基础理论研究集成器件的结构和性能模拟设计方法传递矩阵法光束传播法时域有限差分法有限元法从基本原理入手，设计具有一定功能的光学器件从功能角度出发，以提高器件性能，减少器件损耗，或者使器件性能具备特色理论研究基于固体物理学的基本理论和方法，研究和探讨制作微观集成光学器件的可能性基于波动光学的理论和方法，从导波光学的角度来研究集成光学

7、器件器件研究光通信领域集成光学传感器其他集成光学器件高速响应、低啁啾、单稳频集成激光器可调谐激光器高速光调制器窄带响应可调谐集成光子探测器混合集成光隔离器光束偏转器极具前景的研究方向光学双稳态材料、器件与集成的研究——光子计算机传感器的集成光学器件与性能的研究浙江大学光电系第二章平面介质光波导和耦合模理论17集成光学的基本单元：平面光波导（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核心：平面光