集成光学考试总结

第一章1. 集成光学的分类： 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2. 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门学科。 (3)集成光学是研究集成光路的特性和制造技术以及与微电子学相结合的学科。3. 集成光学的主要应用 光纤通信，光子计算机，光纤传感4. 集成光学系统有什么优点？ 1）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。 2）集成光路与集成电路的比较把激光器、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构成的光学系统称为集成光路，以实现光学系统的薄膜化、微型化和集成化。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，成批制备经济性好，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。第二章1. 光波导的分类(a)平板波导(slab waveguide)(b)条形波导(strip waveguide) (c)圆柱波导(cylindrical waveguide)2. 会利用射线光学方法分析平板波导的覆盖层辐射波、衬底层辐射波和传导波的形成条件。3. TE、TM模的本征模方程（色散方程）是什么？TE、TM模的截止波长（截止频率）、波导截止厚度的表达式？为什么对称波导的基模不存在截止频率？4. 会求给定平板波导所能传输的模式？5. 各种光束耦合器的工作原理和特点？棱镜耦合器：棱镜耦合法的优点：1. 在最佳条件下可以得到很高的效率（输入时约为80%，输出时约为100）。2. 可以从自由导波模中任选一种进行激励。3. 不仅适用于平板波导，在条形波导的情况下也可以高效率地使用。4. 棱镜位置可即可离，能够在实验过程中调整，以实现最大耦合强度。缺点： (1) 棱镜与波导间隙以及入射光束的位置需要进行精心调整，缺乏稳定性。(2) 棱镜耦合器所用的材料除应满足npn1外，还要求对所用的光波长透明，无显著吸收与散射。光栅耦合器功能与棱镜耦合器类似，用于实现自由空间和平面介质光波导之间的耦合，不同的是棱镜和间隙介质被光栅薄膜代替。 光栅耦合器的优点： 1) 不受光波导折射率大小的限制。2) 可以选择所有导模中的任意一种进行激励。3) 可以与波导集成。震动或外界环境的变化，不会改变耦合效率，稳定性好，体积小，价格便宜。4) 调整光束的入射位置时不需要特别严格的精度。5) 也可以在横向进行同样的耦合，因此可以激励宽度非常大的波导光。光栅耦合器的缺点：1)由于光栅耦合与入射光角度的高度相干性，光栅耦合器不能有效地用于发散光束的耦合；2) 光栅耦合器设计过程需要进行复杂的理论计算，而且制作比较困难；3) 器件的参数在制作后无法进一步调整；4) 对于条形波导，光束截面的匹配比较困难。尖劈形薄膜耦合器优点：制作简单，可以实现有效的输出耦合。缺点：用于输入耦合时，很难获得高的效率。第三章1. 光波导的调制内调制（直接调制）和外调制（间接调制）：内调制是利用调制信号直接控制激光器的振荡参数，使输出光的特性随信号而改变。外调制是用调制信号作用于激光腔外面的调制器，产生某种物理效应（如电光、磁光、声光、热光等效应），使通过调制器的激光束的某一个参量随信号而变。2. 光波调制相位调制，强度调制，偏振调制3. 会求电光效应引起的折射率的变化4. 声光效应的布拉格条件和Q判据？拉曼奈斯衍射和布拉格衍射有何不同？根据声波和光波的波长以及相互作用区域的长度L的相对大小，存在两种声光衍射现象，即拉曼奈斯(Raman-Nath)衍射和布拉格衍射(1). 拉曼奈斯(Raman-Nath)衍射此时声波频率较低，声波束宽度L较小，由于声速比光束小的多，在光束通过介质的时间内，折射率的变化可以忽略不计，可以把声光介质看作相对静止的“面相位光栅”或“薄光栅”，此时声波的作用可视为与普通平面光栅相同的折射率光栅。由于光栅较薄，使得入射光在L距离内只受到一次衍射就偏离原方向从器件中输出，从而形成多级衍射光束。当入射光沿z方向 时，各级衍射处所相应的方向 由下式给出 计算表明，拉曼奈斯衍射的效率较低，其中一级衍射效率最大不超过35%，但这种衍射不受入射角的限制，因此调节方便，在许多领域仍得到广泛应用。(2) Raman-Nath衍射条件：当声波束宽度满足 时，即产生Raman-Nath衍射，可以忽略介质中各衍射光的相互影响 。5. 自然旋光旋光定义：当线偏振光沿某些晶体（如石英）的光轴方向传播，或通过某些溶液（如蔗糖）时，其振动面将以光的传播方向为轴发生旋转，这称为旋光现象。 自然旋光现象的特征（1）自然旋光具有可逆性。若迎着光传播方向看去，振动面表现为右旋，则当光线逆反时，振动面仍表现为右旋，即左右旋与光的传播方向无关！（2）光束一正一反两次通过自然旋光物质时，振动 面转过角度为0。5. 什么是磁光效应，利用磁光效应可以构成哪些光学器件？法拉第磁致旋转效应：在外加磁场B作用下，某些原本各向同性的介质变成旋光性物质，偏振光通过该物质时其偏振面发生旋转。法拉第旋转的特殊规律（1）磁致旋光不可逆性。当光传播方向平行于磁场时，若法拉第效应表现为右旋，则当光线逆反时，法拉第效应表现为左旋。（2）光束一正一反两次通过磁光介质时，振动面转过角度 。法拉第旋转的应用：磁光隔离器（Isolators ）：放置于激光器及光放大器前面，防止系统中的反射光对器件性能的影响甚至损伤，即只允许光单向传输。磁光环行器（Circulators ）：一种三端口（或四端口）的非互易磁性器件，在光网络中用于信号的上、下载。第四章1.电子跃迁的种类受激辐射受激吸收自发辐射2. 半导体激光器的分类F-P腔激光器，分布反馈(DFB)激光器和分布Bragg反射器(DBR)激光器，量子限制激光器，垂直腔表面发射激光器（VCSEL），解理耦合腔半导体激光器(C3,cleaved coupled cavity)3. 半导体激光器效率的各种定义和表达式，会求半导体激光器的发射波长发射波长：4. DFB和DBR激光器在结构和工作上有何不同？如何求它们的发射波长？(1)DFB激光器的模式:不正好是布拉格波长，而是对称的位于 的两侧。 假设是允许DFB发射的模式，此时式中m是模数，L是衍射光栅有效长度。完全对称的器件应具有两个与B等距离的模式；实际上，由于制造过程，或者有意使其不对称，只能产生一个模式；又因为L B ，上式的第二项非常小，所以发射光的波长非常靠近B (2) DBR激光器除有源区外，还在紧靠其右侧增加了一段分布式布拉格反射器，它起着衍射光栅的作用。 DBR激光器的输出是反射光相长干涉的结果，只有当布拉格波长满足(2) DBR结构和DFB类似，区别在于DBR根据波导功能进行分区设计，光栅的周期性沟槽放在有源波导两外侧的无源波导上，从而避免了光栅制作过程中可能造成的晶格损伤。有源波导的增益性能和无源周期波导的Bragg反射作用相结合，只有位于Bragg频率附近的光波才能得到激射。(3) DFB激光器的特点：1）动态单纵模窄线宽振荡 DFB激光器只有满足Bragg反射条件的特定波长的光才能受到强烈反射而形成振荡。多个微型谐振腔同步振荡、共同选模，实现单纵模振荡。 2）波长稳定性好 温度漂移约为0.08nm/。3）动态谱线好 DFB激光器在高速调制时仍然保持单模特性。4）线性度好 现已研制出线性度非常好的DFB激光器，广泛用于模拟调制的有线电视光纤传输系统中。 5）波长选择性改变光栅周期能够在一定范围内有控制地选择激光器的发射波长。(4) DBR激光器的特点：DFB激光器的增益区同光栅区重叠，当驱动电流改变时，输出功率和发射波长同时改变；而DBR激光器的反射器和增益区分离，所以可以分别控制DBR激光器的输出功率（通过改变流过激射区的电流）和发射波长（通过改变流过光栅段的电流）。所以DBR激光器比DFB激光器更易于控制和调整。 5. 参数(1) 峰值波长在规定输出光功率时，激光光谱内强度最大的光谱波长被定义为峰值波长。 (2)中心波长 在光源的发射光谱中，连接50最大幅度值线段的中点所对应的波长称为中心波长 (3)谱宽与线宽包含所有振荡模式在内的发射谱总的宽度称为激光器的谱宽；某一单独模式的宽度称为线宽。(4) 边模抑制比（SSR）边模抑制比是指在发射光谱中，在规定的输出功率和规定的调制（或CW）时最高光谱峰值强度与次高光谱峰值强度之比。该参数仅用于单模LD，如DFB-LD。6. 光检测器光检测器是光信号的接收器件，是完成光信号转变为电信号的一种有源器件，又称光子计数器。它们检测光信号的工作原理，可以分为三个步骤： (1)光信号产生光生载流子； (2)光生载流子的迁移和可能的倍增（放大）； (3)光电流与外电路的相互作用与联系。 7. PIN光电检测器的基本参数及定义,求PIN的响应度和量子效率（1） 波长响应（光谱特性） (a) 上截止波长:(b)下截止波长：当入射光波长太短时，光子的吸收系数很强，使光电转换效率大大下降。 （2）光电转换效率(a)量子效率：量子效率定义为入射在检测器上的一个光子所产生的对光电流有贡献的光生载流子数目。即(b) 响应度：（3）响应速度响应速度常用响应时间(上升时间和下降时间)来表示。输入阶跃光功率时，光生电流脉冲由前沿最大幅度的10上升到的90，后沿的90下降到10的时间定义为脉冲上升时间和下降时间。8. APD的工作原理碰撞电离，雪崩倍增光生的电子-空穴对经过高电场区时被加速。从而获得足够的能量，它们在高速运动中与 P 区晶格上的原子碰撞，使晶格中的原子电离，从而产生新的电子-空穴对。这种通过碰撞电离产生的电子-空穴对，称为二次电子-空穴对。新产生的二次电子和空穴在高电场区里运动时又被加速，又可能碰撞别的原子，这样多次碰撞电离的结果，使载流子迅速增加，反向电流迅速加大，形成雪崩倍增效应。第五章1. 光无源器件分类按功能分类：光耦合器、光开关、分波与合波器、透镜、光偏转器、衍射光栅、反射器、偏振模转换器、光滤波器、光衰减器、光隔离器、光环行器等。按所利用的物理效应分类：电光集成器件、声光集成器件、热光集成器件、磁光集成器件等。2. 电光调制器的分类和工作原理（重点是单波导型和定向耦合器型）(1)电光调制器的分类：单波导电光调制器，定向耦合器型电光开关与调制器，马赫曾德尔干涉仪型电光开关与调制器，全内反射型电光开关和调制器(2)单波导型工作原理: 这种调制器一般是在低折射率的衬底上制作高折射率的波导层并做上电极而构成的。这类调制器中波导与衬底之间的总的折射率差主要是由三种不同的原因造成的, ,只要设法改变器件的结构参数，从而改变上式等号右边的三项的差值，就可以设计出不同状态的调制器或开关。(3)定向耦合器型工作原理：定向耦合式调制器是由平行且距离很小的两个光波导组成，其中一个波导的光能耦合到另一个波导内，电极电场的作用是改变波导的传播特性和促进两波导间的横向光耦合。在光的一个耦合周期内，当电极上无电压时，一个波导内传输的光将完全祸合到另一个波导输出；当电极上有电压时，进入一个波导内的光，耦合后将完全再返回到原波导中传播和输出.因此光信号就受到了控制电压的调制。3. TE-TM模式分离器和转换器的工作原理分离器：(1) 在波导层的表面直接制作金属薄膜，根据金属薄膜对TE模和TM模的传输损耗的差异来实现某个模式的消除。(2) 使用各向异性的晶体, 在离子交换玻璃波导上，加载与LiNbO3同属于三方晶系的负单轴晶体方解石（CaCO3）而构成偏振器。方解石对应于正常光线和异常光线的折射率，在波长为0.633m时，分别为no=1.656，ne1.458，当波导的折射率为ng，存在着nongne的关系。假设方解石的光轴与TE模的偏振光方向一致，那么TE模就可以在玻璃波导中传输；TM模则由于ngno，会随着波导光往方解石中的泄漏和散射而消失。转换器：TETM模式转换器的基本思想是采用沿导波传播方向周期性地变化外加电场的方法来弥补TE模和TM模之间的相位失配，从而实现TETM之间的模式转换。相位匹配关系为共线集成声光器件的基本结构单元是声光TETM模式转换器和偏振分束器，通过二者的组合，可以实现波长分波器、滤波器、波长选择开关和分插复用器等。这类声光器件的TETM光波模式转换作用是由声表面波引起的，而声表面波是利用在压电材料上制作的叉指换能器通过电声转换获得的。声表面波的频率决定了能发生偏振模转换的光波长，从而可以实现光波长选择。第六章1. 光集成的方式有哪些？光集成的类型