（光学专业论文）光学波导制备、表征和器件研究.pdf

光学波导制备、表征和器件研究 摘要 近十几年来，随着信息量的剧增，光通讯产业也得到迅猛发展，存在着广阔的市 场前景。光学波导是光通讯产业发展集成工艺的基础，人们努力对新材料，新方法， 新思想，新器件进行探索，以期获得优良的波导材料，理论处理方法和光通讯器件。 波导损耗决定了波导的实用性，低损耗的波导会带来更大的工作范围。本论文采 用了一种新的有机酸材料，戊二酸，作为质子源与z 切铌酸锂基板交换制作光波导。 这种质子交换源的交换速度袂，在2 2 1o c 达到o 2 7 5 i x m 2 h 。戊二酸不仅可以获得大 的波导折射率改变量，达到“o 1 2 ，波导损耗也非常小，仅有0 ，2 d b c m 。这种低损耗 的光波导有很大的实用价值，可作为优良的基板材料用于制作集成光波导器件。 光学波导根据基板材料的特性一般分为各向同性光波导和各向异性光波导。各向 异性波导由于其复杂性使得其分析也更加繁琐。数值方法可以很精确地获得波导的模 式解，可是却很难有清晰的物理意义。而物理方法却鲜有精确的解。本论文给出了一 种基于转移矩阵的新分析方法，对各种复杂的各向异性波导结构均给出了精确的分 折，物理意义清晰。针对各种分布，如三层波导，四层波导，渐变折射率波导，具有 断点的不连续分布波导，都给出了明确的色散方程。与数值方法的对比发现，这种方 法的计算结果精确。精确度达到l x l 0 。我们对t e 汞it m 模式也提供了归一化的描 述，使得模式的处理更加简便，具有更高的适 j 性。 光波导折射率分布不但决定了波导的模式分布，也给波导的制备过程提供很好的 反馈。渐变波导的折射率分布恢复采朋的非破坏性方法通常都采_ j 直线连接模式点， 这显然违背了实际的波导渐变分布。对丁实际的渐变折射率分布，都是曲线光滑的。 数值方法中的样条函数插值方法m 啊以很好的解决这个问题。本论文采_ l ：i j 新的思想平 方法，三次样条函数插值法，对渐变折射率光波导的折射率分布进行了逼真地恢复。 三次样条插值函数的两阶导数连续，保证了曲线的光滑，使得模拟的分布与真实的折 射率平滑分布非常接近。根据二阶导数对曲线凹凸性的判断，加入合理分布的判断准 则，本方法可以埘作非典梨分布的渐变折射率恢复。针对各向异性波导材料的广泛使 用，本方法也第一次对复杂的渐变折射率各向异性波导折射率形状进行了恢复，同样 取得了，非常好的结果。这种方法不但可以很查：= 的处理多模波导( 人y - 4 个导模) ，而 且也可以很好的处理少模波导( 2 - 4 个导模) 。对于典型的实验误差1 x 1 0 4 本方法都 可以很好的处理。这种方法的应用将会给更多各向异性材料制作的光波导提供更加准 确的分析工具。结合表面等离子波和近表面折射率得测量，本方法实现了单模渐变波 导的折射率恢复，结果也相当精确。 退火质子交换波导具有制作工艺简单，折射率调制大，损耗低等优点，而m 亮 线装置在双棱镜中间留下了很好的一块可以用作调制的区域，可以在上面方便地镀上 电极，用作光调制。本论文提出了新的器件模型，退火质子变换平面波导电光调制 器。双棱镜耦合产生了m ；亮线，质子交换铌酸锂波导材料由于电光特性在电场作用 下折射率会发生改变，进而引起m 亮线的移动，引起输出光强的变化，实现电光调 制，调制电压仅1 5 v 。基于其良好的光约束特性，结合局期畴反转工艺，退火质子波 导还可以用于制作波导倍频和波长转换器件。波导倍频在1 5 5 5 = 7 n m 处达到了7 5 w c m 2 的归一化转换效率。基于二次级联非线形效应，实现了从1 5 4 3 8 n m 到 1 5 2 0 5 n m 的波长转换。 关键词：质子交换，波导错作，各向异性波导表征，折射率恢复，三次样 条函数，光波导器件。 o p t i c a lw a v e g u i d e sf a b r i c a t i o n ，c h a r a c t e r i z a t i o n a n dw a v e g u i d e b a s e dd e v i c e s a b s t r a c t 0 p t i c a lc o m m u n i c a t i o ni n d u s t r yh a se x p e r i e n c e df a s tg r o w t hi nr e c e n ty e a r s r e s e a r c h e r st r yt of i n dn e wm a t e r i a l ，n e wm e t h o d ，a n dn e wd e v i c et op r o v i d e c o m p e t i t i v et h e o r ya n dc o m p o n e n t sf o ri n t e g r a t e do p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ，a m o n g w h i c ho p t i c a lw a v e g u i d e sa r ev e r yc d t i c a lf o rt h eo v e r a l ls y s t e m o d “c a ll o s si sac r i t i c a lp a r a m e t e rf o rt h ea p p l i c a t i o ni ni n t e g r a t e do p t i c s w e f i r s tr e p o r tt h a tan e wp r o t o ns o u r c e ；g l u t a r i ca c i d ，h a sb e e nu s e dt of a b r i c a t eo p t i c a l w a v e g u i d e si nz - c u tl i t h i u mn i o b a t ec r y s t a l s t h er e l a t i o n s h i pw a se x p e r i m e n t a l l y e s t a b l i s h e db e t w e e np r o t o n e x c h a n g e d ( p e ) w a v e g u i d ep a r a m e t e r sa n df a b r i c a t i o n c o n d i t i o n s t ti ss h o w nt h a tt h i sn e wo r g a n i ca c i dc a nb eu s e dt oo b t a i nd e e pp r o t o n e x c h a n g e dw a v e g u i d e si nf a s td i f f u s i o ns p e e d ，( o 2 7 5t lm 2 ha t2 2 1o c ) a n dw i t hl o w l o s s f - 0 2 d b c m ) t h e i n d e xm o d u l a t i o ni sa s l a r g ea s 0 12 i tp r o v i d e sa n a l t e r n a t i v ea p p r o a c hf o rf a b r i c a t i n gp ew a v e g u i d e si nl i t h i u mn i o b a t es u b s t r a t e t h ew a v e g u i d em a t e r i a l sa r ed i v i d e di n t oi s o t r o p i ca n da n i s o t r o p i ci t p e s t h e a n i s o t r o p i cw a v e g u i d e sa r ed i f f i c u l tt oa n a l y z eb e c a u s eo ft h ec o m p l e x i t y t h e a n a l y t i c a lm e t h o d su s u a l l yc a no n l yo b t a i na p p r o x i m a t er e s u l t s ，w h i l et h em a i n d e f i c i e n c yo ft h o s en u m e r i c a lm e t h o d si s l a c ko f p h y s i c a li n s i g h t t h i st h e s i s p r o p o s e dac o m p a c tm e t h o db a s e do na na n a l y t i c a l t r a n s f e rm a t d xm e t h o dt o i n v e s t i g a t ea n i s o t r o p i cp l a n a rw a v e g u i d e s t h ee i g e n v a l u ee q u a t i o n sa r ep r o p o s e d f o rb o t ht ma n dt em o d e sb yt h em e t h o di ne x p l i c i ta n da n a l y f i c a lf o r m si nt e r m so f d i f f e r e n ti n d e xp r o f i l e s m u ! t i l a y e rs t r u c t u r e ，g r a d e di n d e xd i s t r i b u t i o n sw i t ho n ea n d t w ot u r n i n gp o i n t s ，a n dd i s c o n t i n u o u sp r o f i l e sa r ei n v e s t i g a t e d ，r e s p e c t i v e l y i ti s s h o w nb ye x a m p l e st h a tt h i sm e t h o dc a no b t a i na c c u r a t er e s u l t sc o m p a r e dt o n u m e r i c a lm e t h o d sw i t ha c c u r a c yo f lx 10 ，w h i l ei th o l d sc o n s i d e r a b l ep h y s i c a l i n s i g h t t h er e f r a c t i v ei n d e xp r o f i l ep l a y saf u n d a m e n t a lr o l ei nag r a d e di n d e x w a v e g u i d ea s i tc a ng i v es i g n i f i c a n ti n f o r m a t i o no nt h ew a v e g u i d ep r o p a g a t i o n p r o p e r t i e s ，t h u st h ed e t e r m i n a t i o no ft h ep r o f i l eh a sa t t r a c t e dc o n s i d e r a b l ei n t e r e s t s a la l lt i m e s c o n v e n i e n tr e c o v e r ym e t h o d s ，s u c ha si w k b 。u s es t r a i g h tl i n et o r e c o v e rt h ei n d e xp r o f i l e ，w h i c hi sq u i t ed i s s a t i s f i e dw i t ht h ep r a c t i c a ls i t u a t i o n t h e c u b i cs p l i n e sc a ng e taq u i t es m o o t hp r o f i l ea si te n s u r e st h a tt h ef i r s ta n ds e c o n d d e r i v a u v e sa te a c hi n t e r p o l a t i o np o i n ta r ec o n t i n u o u s ，w h i c hi sj u s tc o n s i s t e n tw i t h t h er e a li n d e xd i s t r i b u t i o n ：w ep r e s e n ti nt h i st h e s i sam e t h o dt or e c o v e rt h e r e f r a c t i v ei n d e xp r o f i l eo fg r a d e dw a v e g u i d ef r o mt h ee f f e d i v ei n d i c e sb yc u b i cs p l i n e i m e r p o l a t i o nf u n c t i o n as t r a i g h t f o r w a r di t e r a t i o nw i t ha ne x a md i s p e r s i o ne q u a t i o nt o v e r i f yt h ei n t o 巾o l a t e dp r o f i l ea n daj u d g er u l et oc h o o s et h er e a s o n a b l er e c o v e r e d p r o f i l em a k et h i sm e t h o de a s ya n dr e l i a b l ef o ra p p l i c a t i o n s t h i sa p p r o a c hi sp r o v e d b yn u m e r i c a la n a l y s i so fs e v e r a l - t y p i c a l i n d e xd i s t r i b u t i o n sa n de x p e r i m e n t a l e x a m p l e st h a tt h er e f r a c t i v ei n d e xp r o f i l e sc a nb er e c o n s t r u c t e dd o s e t yt oi t se x a c t p r o f i l e w ed e v e l o p e do u rm e t h o d ，a n d - f i r s t l yr e c o v e r e da n i s o t r o p i cg r a d e di n d e x w a v e g u i d es u c c e s s f u l l y , t h i sm e t h o dc a r lr e l i a b l yr e t r i e v ei n d e xp r o f i l eo fb o t hm o r e m o d e ( m o r et h a n4g u i d i n gm o d e ) a n df e w e r m o d e ( 2 - 4 ) w a v e g u i d e s , i tc a ns t a n da t y p i c a le x p e r i m e n t a le r r o ro f 1x lo - s t h em e t h o dc a np r o v i d eag o o da p p r o a c ht o r e c o v e ri s o t r o p i ca n da n i s o t r o p i cg r a d e di n d e xp r o f i l e w i t hs u r f a c ep l a s m aa n dn e a r s u r f a c el n d e xm e a s u r e m e n tt h ec u r r e n tm e t h o dc a nb eu s e dt or e c o v e rm o n o m o d e g r a d e di n d e xw a v e g u i d ew i t hg o o da c c u r a c y a n n e a l i n gp r o t o n e x c h a n g e d ( a p e ) w a v e g u i d ec a nb ef a b r i c a t e dw i t hs i m p l e p r o c e s sa n dh i g hp e r f o r m a n c e , s u c ha sh i g hi n d e xm o d u l a t i o l 3a n dl o wl o s s w e p r o p o s ean e wt y p eo fe l e c t r o - o p t i c sm o d u l a t o ro na p ep l a n a rl i t h i u mn i o b a t e w a v e g u i d eb a s e do nb d g h tm l i n e sa n de l e c t r o - o p t i ce f f e c t t w o 。p r i s m - w a v e g u i d e c o u p l i n gb r i n g sb r i g h tm - l i n e s t h ee l e c t r o o p t i ce f f e c ti nl i t h i u mn i o b a t ec h a n g e st h e r e f r a c t i v ei n d e xu n d e ra p p l i e dv o l t a g e ，a n dt h e nt h em l i n e ss h i f tw i t ht h ea p p l i e d s i g n a l t h u s ，t h eo u t p u to p t i c a li n t e n s i t yi sc h a n g e dw i t ht h es i g n a l ，a n dt h ee l e c t r o o p t i cm o d u l a t i o ni sr e a l i z e d ，t h ea p p l i e dm o d u l a t i o nv o f f a g ec a nb ed o w nt o 15 v t h i st y p eo ft h em o d u l a t o ri se a s i l yf a b r i c a t e da n dc a nr e a c h4 0 g h zb a n d w i d t h w h e nt h el e n g t ho ft h ee l e c t r o d ei s2 m m b a s e do na p e w a v e g u i d ea n di t sg o o d a b i l i t yi no p t i c a lb e a mr e s t r i c t i o n ，s e c o n dh a r m o n i cg e n e r a t i o na n dw a v e l e n g t h c o n v e r t e ri sr e a l i z e di np e d o d i c a l l yp o l e dl i t h i u mn i o b a t e n o r m a l i z e dc o n v e r s i o n e f f i c i e n c yo f7 5 w c m 2f o rs e c o n dh a r m o n i cg e n e r a t i o na t15 5 5 7 r i ma n d w a v e l e n g t hc o n v e r s i o nf r o m15 4 3 8n mt o15 2 0 5n ma r ee x p e r i m e n t a l l yo b s e r v e d k e y w o r d s ：p r o t o ne x c h a n g e ，w a v e g u i d ef a b r i c a t i o n ，a n l s o t r o p i c w a v e g u i d ec h a r a c t e r i z a t i o n ，r e f r a c t i v ei n d e xr e c o v e r y , c u b i cs p l l n e f u n c t i o n ，o p t i c a lw a v e g u i d e - b a s e dd e v i c e s 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：1 胁年王月2 嚣日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 一远南嘲艚撕躲耋劬 日期：溉年l 月谒日日期：。d d 6 年月硝日 上海交通大学博士学位论文 第一章综述 1 1 引言 光通信可以说是上世纪在科学技术领域取得的最伟火的成就之一，它以光子为信息载 体，为现代化社会提供了一种优秀的信息交换与传输手段。可以说，光电子学的成功促进了 光通信的成功，反过来，光通信的成就又极大地促进了信息光电子学的发展。光通信也由此 成为信息光电子学中最重要的一个领域。 在光通信的发展历程中，大致经历了三次大的飞跃： ( 1 ) 从虚幻到现实( 2 0 世纪6 0 7 0 年代) 自1 9 6 2 年第一只半导体激光器诞生吐随后半导体光检测器也研究成功。1 9 6 6 年英籍 华人科学家高锟与h o c k h a m 提出用石英玻璃可以制成衰减为2 0 d b k m 的通信光导纤维， 1 9 7 0 年美国康宁公司首先研制出了损耗低于2 0 d b 爪m 的光纤陋3 1 ，光纤传输的损耗首次低 于铜线传输，使光纤远距离传输信息成为可能，这标志着光纤通信系统的实际研究条件得以 具各。 ( 2 ) 迈入实_ l j 化( 2 0 世纪7 0 8 0 年代) 1 9 7 0 年半导体激光器的双异质结结构的发明，使得光源与光检测器的寿命都达到了1 0 万小时的实刚化水平。单模光纤的闽世，光纤1 3 1 0 , q m 和1 5 5 0 n t o 的低损耗窗口f i 勺发现， 使光纤的衰减系数一下降到0 5 d b k m l 2 - 3 1 。1 9 7 6 年世界第一条光纤通信线路在美国亚特兰 大到华盛顿建成，光纤通信由此迈进了实j l j 化阶段，从上世纪8 0 年代初开始光纤通信便开 始大步地迈向了市场。 ( 3 ) 传输速率的大幅度提高( 2 0 世纪8 0 9 0 年代) 1 9 8 9 年掺铒光纤放火器e d f a 的研制成功使光纤通信的发展进入了个新的天地h 一。 e d f a 的应l f j 不仅解决了光纤传输衰减的补偿问题而且为一批光网络器件的应州创造了条 件。同时促使波分复_ 【 j 技术从双波长复_ i _ 】的w d m 系统向多波跃复h | 的d w d m 系统演进聊， 大幅度的提高了光纤通信的数字传输速率。 。 上世纪9 0 年代末期是光纤通信发展最迅猛的时期，虽然在二十t = 纪初经历了儿年的泡 沫期，但是随着通信量的急剧增加和国际互联网冉勺普及，市场义回归理性发展，光纤通信已 经无可争议的成为现代通信网的主要传输手段，具有r 泛的市场前景。 上海变通大学博士学位论文 图1 - 1 光通信产业金字塔结构 f i g 1 - 1t h ep y r a m i ds t r u c t u r eo fo p t i c a lc o m m u n i c a t i o ri n d u s t r y 图1 1 为现代光纤避信产业链金字塔结构的示意图，从中我们可以看出，器件和设备乃 是整个光通信的基础，而通信网络和应用则是核心。所有的器件和设备都是为应用服务的， 而在新的网络构型及应用需求的推动下又催生了许多新型器件和设备的出现。从光纤通信发 展历程上的几次飞跃来看，正是某些关键器件上的突破使得光纤通信网络和应用有了突飞猛 进的发展。而光波导器件作为光通信器件的重要基本元件，对其进行理论和实验研究就显得 非常重要。而且随着技术的发展，波导结构也越来越复杂，对复杂结构波导的理论处理也成 为一项亟需解决的任务。 1 2 光学波导制备 用光波导可以制作成各种光电子器件，完成调制、开光、逻辑、偏振等功能。到目前为 止所应用的光波导在材料上面可分为四种基本类型，它们是铌酸锂钛扩散和质子交换光波 导、硅基沉积二氧化硅光波导、i n g a a s p i n p 光波导和聚合物( p o l y m e r ) 光波导。 ( 1 ) 铌酸锂晶体是一种比较成熟的材料，它有极好的压电、电光和波导性质。除了不能 做光源和探测器外，适合制作光韵各种控制、耦合和传输元件。铌酸锂钛扩散光波导开发较 早，其主要一i ：艺过程是：首先在铌酸锂基体上用蒸发沉积或溅射沉积的方法镀上钛膜，然后 进行光刻，形成所需要的光波导图形。再进行扩散，可以采用外扩散、内扩散等方法米实现。 井沉积上二氧化硅保护层，制成平面光波导。铌酸锂质子交换光波导将铌酸锂基片和质子源 ( 有机酸等) 在1 5 0 - 3 0 0 摄氏度的温度。f 进行交换，氢离子扩散进入铌酸锂表面，形成波导。 2 上海交通大学博士学位论文 质子交换波导可以产生大的折射率调制在0 1 2 左右。 ( 2 ) 硅基沉积二氧化硅光波导是2 0 世纪9 0 年代发展起来的新技术，主要有氮氧化硅和 掺锗的硅材料，国外己比较成熟。其制造：l ：艺有：离子注入法( i o n i m p l a n t e d ) 、离子交换 技术( i o n - e x c h a n g e d ) 、火焰水解法( f h d ) 、化学气相淀积法( c v d ，日本n e c 公司开 发) 、等离子增强c v d 法( 美国l u c e n t 公司开发) 、反应离子蚀刻技术r i e 多孔硅氧化法、 复合波导和熔胶一凝胶法( s o l - g e l ) 。该波导的损耗很小，约为0 0 2 d b c m 。目前常用的方 法是电场辅助热扩散型离子交换法( f a i e - f i e l d a s s i s t e di o n e x c h a n g e d ) 。用f a i e 在氧化 物玻璃基片上制作出的波导掩埋于玻璃表厦下，这样可以保证波导稳定并使其性能得到优 化，这种波导具有更低的传输损耗和偏振相关性，可以支持限定盼模式i 能够更好的与光纤 兼容。 ( 3 ) 基于磷化铟 i n p ) 的i n g a a s p i i n p 光波导的研究也比较成熟，它可与i n p 基的有 源与无源光器件及i n p 基微电子回路集成在同一基片上，但其与光纤的耦合损耗较大。 ( 4 0 聚台物光波导是近年来研究的热点。该波导的热光系数和电光系数都比较大，很 适合于研制高速光波导开关、a w g 等。采用极化聚合物作为工作物质，其突出优点是材料 配置方便、成本很低。同时由于有机。聚合物具有与半导体相容的制备工艺而使得祥品的制备 非常简单。聚合物通过外场极化的方法可以获得高于铌酸锂等无机晶体的电光系数。德国 h h i 公司利用这种波导研制成功的a w g 在2 5 - 6 5 c 的波长漂移仅为0 0 5 n m 。，e 乎任何材丰 4 都可以作为聚合物的衬底。聚合物的缺点在于热稳定性差，聚合物的老化也会影响器件的l ： 作稳定性。 此外，为了得到更好的光波导性能，许多研究机构正在探索在新型材料上蒂n 备波导的方 法。目前，有机无机混合纳米材料的平面光波导已研制成功，兼具有机与无机材料的优点， 如性能稳定可靠、加：l 容易、能根据需求调控光学性能等。由于新材料具有感光特性在制 造一i ：艺上以显影方式赢接做出的导光线路，不仅能迸一步麻用低成本的简单i r 艺。更可火幅 减少器件制造商的设备投入成本。 1 3 光波导表征理论 ( 1 ) 波导线光学理论 假定导波光是相干单色光，并且光波导是由无损耗、备向同性、非磁性的无源介质构成。 光在平扳波导中传播的幽像，是光线在薄膜一衬底平薄膜覆盖层分界面上发生全内反射，在 3 上海交通大学博士学位论文 薄膜中沿z 字形路径传播的图像。线光学模型是一种简明直观的模型。引入位相和相干概 念后，可以得出光波导的本征方程、分立导模和若干传播特性。 ( 2 ) 波导电磁场理论 线光学模型不能给出波导的模场分布，而模场分布等知识对于光波导和光波导器件的大 部分研究课题是必须具备盼。从麦克斯韦波动方程和边界条件出发，电磁理论可以对波导模 式进行定性分析，分解出导模、衬底辐射模和包层模。电磁场理论也可以容易地推出波导导 模的正交性。对于渐交的平方律分布、指数分布和对称爱泼斯坦分布电磁场理论都可以给出 严格的精确微 ( 3 ) w k b 近似法 v v “k b 近似方法是由温采( w e n t z e l 3 、克拉玛( k r a m e r s ) 和布里潞( b r i l l o u i n ) 在量子 力学中建立的求解一维薛定谔方程的一种方法。也称为相位积分法。这是一种准经典近似， 它要求在雄布罗意波长范围内，势场y g ) 的变化足够小。由于薛定谔方程与标量波动方程 的极大相似性：介电常数分布相当于量子力学中的势函数，电磁场分量与滇函数相对应。因 此。毫无疑义，可把w k b 方法壹接应用与非均匀光波导中。只要把波函数按h ( = 卅幼， 是普朗克常数) 的幂级数展开，改为电磁场分量按的1 ，k 的幂级数展开即可。虽然刖w k b 近似法得到的有关结果也可以由光线方法得到，但目前在研究光波导的传播特性中，w k b 法仍得到广泛的应用。w k b 近似法与光线方法的适州范陶是相似的，它们仅适用与介电常 数缓慢变化的场合。与光线方法相比。w k b 近似法的优点是可以给出场的近似分布，这是 光线方法无法做剜的。 ( 4 ) 有限元法阿 研究沿传输轴方向具有均匀光波导结构的传输特性的解析法，以及沿传输轴方向具有不 连续结构光波导的反射、透射等问题的解析法，对于掌握光波导的基本特性很重要。有限元 法以变分法为基础，一直h j 于光波导传输特性和不连续点问题的分析，它特别适_ l ；l j 于具有复 杂边界的场合，是一种通川性较高的解析方法。对由任意截面形状的各向异性和不均匀介质 构成的波导，有限元法十分有效。 ( 5 ) 时域有限差分法 1 9 6 6 年k s y e e 在有限筹分法的基础上提出了时域有限若分法( f i n i t e o i f e r e n c e t i m e d o m a i n ，f d t d ) 嘲。它是当今重要的电磁场数值计算方法之一。时域有限差分法直接 4 上海交通大学博士学位论文 从概括电磁场普遍规律的麦克斯韦( m a x w e l l ) 旋度方程出发，将其转化为差分方程组，在一 定体积内和一段时间上对连续电磁场的数据取样。因此，它是对电磁场问题的最原始、最本 质、最完备的数值模拟，具有广泛的适用性，以它为基础制作的计算程序，对广泛的电磁场 问题具有通用性。由它所得的结果应该是“完备”的矢盆场，由此算出的三维电磁场也是“精确” 的。 时域有限差分法以其简单直观、容易掌握等优点而得到广泛的应用。它从麦克斯韦方程 出发，不需要任何导出方程，避免了使_ 更多的数学工具，使得它成为所有电磁场计算方法 中最简单的一种。另外，它基于概括了电磁场普遍规律的麦克斯韦方程，实际上就是在计算 机所能提供的离散数值时空中仿真再现电磁现象的物理过程，所以非常直观。由于它既简单 又直观，易j 于掌握因此很容易推广应用。 由于时域有限差分法是种时域、矢量方法，它要求解多个变量的偏微分方程组，所以 计算量很大，需要很长的计算时间：并且在光学领域，由于光波波长很短，为了准确地描述 光波的传播特性网格的划分还必须很细，这就大大地增加了计算机的存储量和计算量 ( 6 ) 光束传播法 光束传播( b e a mp r o p a g a t i o nm e t h o d ，b p m ) 法最早是由f e i t 和f l e c k 于1 9 7 7 提出 的1 1 q ，当时是为了模拟大气中的激光传输，不久之后他们就将光束传播法应用于计算波导 中的光传输上。经过后人对光束传播法的不断改进与发展。它现在已经成为光波导分析中最 常用的算法之一。光束传播法是从亥姆霍兹( h e l m h o l t z ) 方程出发，在一定体积内和一段时 间上对连续电磁场的数据取样。亥姆霍兹方程是波动方程在某一频率下的特定方程，是麦克 斯韦方程在特定条件下的特殊形式，是一个二骱的非线性偏微分方程。由丁f 亥姆霍兹方程是 频域方程，方程可以解出在某一频率下的稳态解，它比时域有限差分法节省了大量的存储空 间。 光束传播法同样也具有简单直观、容易掌握等优点。它能很形象地反映场在波导中的传 播与变化情况。较时域有限差分法而言，它所需的计算机存储量很小，并且计算时间要少很 多，但是由于亥姆霍兹方程以及b p m 方程的推导过程中都有一定的近似，所以这种算法在 使川上受到一定的限制。 1 4 光波导折射率分布的逆向恢复 从光波导的折射率分布可以获得波导的模式信息，反过来，从波导的模式信息也可以得 上海交通大学博士学位论文 到波导的折射率分布，这是一个逆向过程。渐变折射率光波导是集成光学和微电子器件领域 的基本元件，其折射率分布不仅涉及到器件设计的基本参数，而且还能为波导制备过程中各 类参数的选取提供有用的信息。因此，渐变折射率光波导色散性质的研究和折射率分布的确 定一直是导波光学的重要任务。 ( 1 ) 椭偏仪法 1 9 4 5 年，a r o t h e n 介绍了一种用于测定i 毂膜表面光学特性的仪器，印椭偏仪【1 i 。椭 偏测量末是利用光束在薄膜上反射象j 透射时出现自椭振变化，通过椭偏仪溯量其椭偏参数的 变化，用计算机处理其测量得到肘椭偏参数从而得到待测薄膜的各：种光学参数，如折射率， 厚度和消光系数等。椭偏测量术的应用范围很广，可以用在澍量材料的光学性质：。物理吸附 和化学吸附半导体表面及金属表面的氧化。电化学。研究固休的辐射损伤以及生物学和医 学中。 ( 2 ) 逆w k b 方法 逆w k b 方法利用实验测量所得的各个模式有效折射率，从w k b 方法出发，通过简单 有效钧数学方法，拟合渐变型光波导的折射率分布情况【1 2 1 逆w k b 方法由于具有简单的形 式和明确的物理意义因而到目前为止仍是应用最广泛的一种方法。但逆w k b 方法仅适用 于变化缓慢的折射率分布和远离转折点处的解。虽然已建立许多改进的方法1 1 ”7 1 试图改善 逆w k b 方法的精确度，但这些方法仍基于w k b 近似的框架，无法取得突破性的进煨。 ( 3 ) 逆a t m 方法 逆a t m 方法是基于逆w k b 和分析转移矩阵( a t m ) 方法1 ”提出的i “。由于考虑了子 波的位相贡献和转折点处正确的相移，分析转移矩阵方法可以对任意折射率分布，包括w k b 方法不能适用的迅变拆射率分布在内的所有情况精确求解。在此基础上提出的逆转移矩阵方 法，可以对任意折射率分布的光波导进行拟合。对于折射率变化迅速的波导的拟合中，逆分 析转移矩阵方法体现出了在任何情况下都比逆w k b 方法具有更高的精确性和更强i 舱- 理 性。而对于实际存在误差的情况f 的分析，更加表明逆a t m 比逆w k b 方法稳定、可靠。 然而，逆。a t m 方法雨i 逆w k b 方法一样，都是采用直线段对折射率分布进行近似，这种假 设和光滑的折射率分布很不符合。逆a t m 方法还是采州了逆w k b 方法的表面折射率，这 也使得它受到逆w k b 方法的局限。当波导导模数目较少时，逆a t m 方法同样很难得到很 好的结累。 6 上海交通大学博士学位论文 1 5 光波导器件 图1 - 2 给出了一个典型的光通讯网络。多路光信号在主干网上经过传输后会被复用墙￥ 复f h ，之后会有放大、色散补偿，中间会加入控制，到达城域网后会有开关路由，再经过分 束进入家庭用户。光通讯网络的这些关键器件中，光波导器件扮演了重要的帑色，如波导调 制器，波导开关，波导复用，解复用器，波导光栅耦台器，波导放大器等。 图1 2 光通讯网络示意图 f i g 1 - 2a s c h e m a t i cv i e wo fa no p t i c a lc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ( 1 ) 光波导调制器 集成光学调制器与光开关，特别是u n b 0 3 材料制成的波导相位调制器、强度调制器以 及j v j v 光开关在光纤通信、光纤传感系统中得到了广泛应用，它们是集成光学中最重要 的有源器件。集成光学调制器与光开关就是对波导里传输的导模光进行调制与开关。调制的 原理是借助于电光、声光、磁光、热光等效应。对丁二波导调制器，由于波导厚度与宽度都 在胛量级，所以埘很低的驱动功率即可得到很人的场强，使得波导调制器有很高的：j ：作带 宽和很高的一作效率。铌酸锂m a c h ，z e h n d e r 调制器r o 忱点是调制带蠹很火。通过采j i _ i 行 波型电极设计，理论带宽可达1 0 0 g h z 以上【2 1 i - i 州于超高速电光调制。不足是体积较大， 难与l e ) 集成，目前多用予长途海缆光通信系统。电光波导调制器包括波导相位调制器、干 涉式强度调制器、定向耦合式强度润制器。 ( 2 ) 光波导开关器什 在现代光通信( 含光交换) 、光传感、光电信息处理、光计算机、光神经元网络及光集 7 上海交通大学博士学位论文 成等都需要利用光网络结构，而光开关器件又是组成光网络的重要器件。光开关主要包括两 大类，即机械式及波导式。机械光开关的优点是插入损耗低( 典型值0 5 d b 最大1 2 d b ) ， 隔离度高( 可达8 0 d b ) 。技术上容易实现。但其最大的弱点是响应速度低( 约1 5 m s ) 限 制了它的应用。但波导型光开关的速率高，可达几个g h z 以上，这种光开关大多都是基于 电光效应，即厶一妄n3 y 。e ，y4 l 为材料的电光系数。在电光材料上旖加电场时，该材料 的拆射率发生变化。常用的波导开关有定向耦合开关、x 型和非工型分支光波导电光开关、 n xn 对称型光波导开关畔z 3 、m z 干涉型光开关、量子限制跏睹效应光开关、硅基 上玻璃光开关及阵列、能带填充效应光开关阵列、等离子体色散效应光开关、热光开关和液 晶开关等。下面我们简要介绍一下几种有常用的波导光开关。 铌酸锂m a r d i z e h n d e r 干涉仪型电光开关由电光晶体材料铌酸锂波导构成，结构类似 3 d b 耦含器酶双分支波导，在输入和输出端由两个波导连接成m a r c h z e h n d e r 干涉仪 ( m ；9 ) ，实现1 x 2 、2 x 2 开关结构。开关工作时，由一个或两个驱动电压来控制两路之间 不同韵相位，把信号送到需要的输出端“i 。e o 开关的主要优点是开关速度快，方便集成。 不足是高偏振相关损耗，高串扰。 1 9 9 9 年，安捷伦( a g i l e n t ) 公司将它成熟的喷嬖打印机技术与硅平面光路结合，推出 喷墨液晶开关器件1 2 ”。该器件是在s i 材料中做出偏振光束分支波导，再在每个分支波导交 叉点刻蚀出成一定角度的槽，沟槽内装上折慰率匹配的液晶，液晶槽下面是电热器；不加电 时光束直通；当加热硅片中相关点的电热器时，其上面的液晶体内产生一种气泡，经过它全 反射，使来自输入波导的光改变方鲰反射到要求输出的光波导。分支波导起路由器作用， 把信号引向要求卉勺出口。 ( 3 ) 光波导复用，解复用器 阵列波导光栅( a w g ) 1 2 6 2 1 在是目前生产和应用最为活跃的光波导型复用，解复用器。 a w g 以石英平面光回路( p l c ) 为基础制作。因为年i 英玻璃的物理和化学性质稳定，加之 与光纤匹配好，又是利用成熟的波导技术，与理