光波导原理与器件(第3版)

本书在介绍导波光学产生和发展概况之后，从光的射线理论和电磁理论出发，系统、深入地阐述了光在光波导中传播时所遵循的基本规律，同时讲述了光波导器件的原理、结构、制作技术和工艺。全书共分8章:绪论；光波导原理与器件概述；光波导的理论基础；光波导元器件和传感器；光波导的制备技术；光波导耦合理论与耦合器；光调制和光波导调制器；光纤和光纤技术。本书厚基础，重应用，在重点讲述光波导基本原理、基本概念和基本知识的基础上，全面、系统地讲述了光波导器件的结构、制作方法和相关应用。书中各节后面都有表格形式的要点知识总结，各章后面都有本章重点内容小结，并附有与讲述内容联系紧密且实用性强的习题，便于读者学以致用。本书可作为高等院校光电信息科学与工程专业、应用物理学专业、电子科学与技术专业、通信工程专业及光学工程专业本科生的专业基础教材，也可供从事光学及相关领域学习和研究的科技人员参考。

宋贵才 1987年毕业于长春光学精密机械学院光学物理系，毕业后留校任教。先后获激光技术专业学士学位、军用光学专业硕士学位及光学工程专业博士学位。2009年在长春理工大学理学院（原长春光学精密机械学院）工作，任系主任、教授、博士生导师。主要从事电子科学与技术、光电信息科学与工程专业的本科生和研究生的教学和科研工作，研究方向涉及激光、红外和微波枝术等领域。现为国家精品资源共享课“红外物理”课程负责人，长春理工大学校教学督导组副组长。

第0章绪论
第1章光波导原理与器件概述
1.1导波光学的发展
1.1.1导波光学的基本概念
1.1.2导波光学的产生及发展过程
1.2导波光学系统构成及优点
1.2.1导波光学系统构成
1.2.2导波光学系统优点
1.3光波导器件的进展
1.3.1光波导宽带光调制器
1.3.2光波导开关
1.3.3光波导频谱分析器
1.3.4高密度信息读取器
1.4光波导技术研究热点和发展趋势
1.4.1光波导技术的研究热点
1.4.2光波导技术的发展趋势
小结1
习题1

第2章光波导的理论基础
2.1光波导种类
2.1.1按形状分类
2.1.2按折射率分布分类
2.2光波导的射线光学理论
2.2.1平面（板）光波导简介
2.2.2射线光学模型
2.2.3光入射到介质界面处的基本定律
2.2.4全反射时的相移
2.2.5平面光波导中的导模
2.2.6模式本征方程的图解
2.2.7应用实例
2.3古斯-汉欣线移和有效厚度原理
2.3.1古斯-汉欣线移
2.3.2有效厚度
2.4光波导的波动光学理论
2.4.1电磁过程的基本方程
2.4.2平面光波导中的亥姆霍兹方程
2.5折射率突变光波导中电磁场的基本解
2.5.1TE导模的场分布
2.5.2模式本征方程
2.6折射率渐变光波导中电磁场的基本解
2.6.1平方律折射率分布光波导
2.6.2指数律折射率分布光波导
2.7条形介质光波导中电磁场的基本解
2.7.1马卡提里近似
2.7.2Exm,n模式分析
2.7.3Eym,n模式分析
2.7.4有效折射率法
2.8圆柱形介质光波导中电磁场的基本解
2.8.1光纤导模的基本解
2.8.2导引模的截止条件
小结2
习题2

第3章光波导元器件和传感器
3.1光路变换器
3.1.1光波导棱镜
3.1.2端面反射镜
3.1.3弯曲光波导
3.2功率分配器
3.2.1单模光波导型功率分配器
3.2.2多模光波导型功率分配器
3.3光波导偏振器
3.3.1金属覆层偏振器
3.3.2各向异性晶体偏振器
3.4模分割器和模变换器
3.4.1方向耦合器型模分割器
3.4.2三层结构分支光波导
3.4.3Y形分支光波导模分割器
3.4.4模变换器
3.5光波导型透镜
3.5.1模折射率透镜
3.5.2短程透镜
3.5.3菲涅耳透镜
3.5.4微透镜阵列
3.6光波导传感器
3.6.1光波导温度传感器
3.6.2光波导压力传感器
3.6.3光波导微位移传感器
3.6.4光波导振动传感器
小结3
习题3

第4章光波导的制备技术
4.1光波导制作概述
4.1.1光波导导光薄膜材料
4.1.2光波导制作难点
4.1.3材料与制作技术
4.1.4光波导的结构、制作方法和特性
4.2光波导衬底材料及加工
4.2.1光波导衬底材料
4.2.2衬底材料的加工方法
4.3无源材料光波导的制备技术
4.3.1淀积技术
4.3.2置换技术
4.4有源材料光波导制备技术
4.4.1外延生长技术
4.4.2减少载流子浓度技术
4.5集成光路几何图形的加工工艺
4.5.1集成光路设计和加工工艺
4.5.2光路几何图形设计和加工工艺
4.6光刻技术
4.6.1光致抗蚀剂
4.6.2涂布抗蚀剂
4.6.3曝光方式
4.6.4显影和坚膜
4.6.5脱膜和腐蚀
4.7电子束扫描曝光法
4.7.1电子束致抗蚀剂
4.7.2电子束扫描曝光系统构成和特点
4.8光波导加工技术
4.8.1脱膜法
4.8.2腐蚀法
4.9条形光波导的制作方法
4.9.1条形光波导的结构及制作方法
4.9.2埋入型条形光波导的制作工艺流程
4.9.3脊型条形光波导的制作工艺流程
4.9.4加载型条形光波导的制作工艺流程
4.10条形玻璃光波导的制作
4.10.1埋入型条形玻璃光波导的制作
4.10.2脊型条形玻璃光波导的制作
4.10.3加载型条形玻璃光波导的制作
4.11条形LiNbO3光波导的制作
4.11.1Ti扩散LiNbO3光波导的制作
4.11.2质子交换LiNbO3光波导的制作
4.11.3LiNbO3光波导电极的制作
小结4
习题4

第5章光波导耦合理论与耦合器
5.1光波导耦合的基本理论
5.1.1模式耦合方程
5.1.2光波导耦合的微扰理论
5.2导模与辐射模之间的耦合
5.2.1导模与辐射模耦合分析
5.2.2输出耦合
5.2.3输入耦合
5.3棱镜耦合器
5.3.1棱镜耦合器的工作原理
5.3.2棱镜耦合实验装置及特点
5.4光栅耦合器
5.4.1光栅耦合器的工作原理
5.4.2光栅耦合形成导波的条件
5.4.3光栅的制作方法
5.5楔形光波导耦合器
5.5.1楔形光波导耦合器的工作原理
5.5.2楔形耦合模型
5.6光波导耦合的其他方法
5.6.1直接聚焦耦合
5.6.2直接对接耦合
小结5
习题5

第6章光调制和光波导调制器
6.1光波导调制技术概述
6.1.1光调制的几个基本概念
6.1.2光调制的评价指标
6.2调制光的光谱分析
6.2.1调幅光频信号频谱
6.2.2频率调制的频谱
6.2.3相位调制的频谱
6.2.4强度调制的频谱
6.2.5脉冲调制的频谱
6.3电光调制技术
6.3.1电光调制的几个基本概念
6.3.2线性电光效应
6.3.3电光相位调制
6.3.4电光强度调制
6.3.5电光高频调制
6.3.6行波电光调制
6.3.7电光偏转
6.4声光调制技术
6.4.1声光调制的几个基本概念
6.4.2拉曼-奈斯衍射
6.4.3布拉格衍射
6.4.4声光调制器
6.4.5声光偏转
6.5磁光调制技术
6.5.1磁光效应
6.5.2磁光体调制器
6.6光波导调制器
6.6.1光波导调制基本机理
6.6.2电光波导调制器
6.6.3声光波导调制器
6.6.4磁光波导调制器

小结6
习题6

第7章光纤和光纤技术
7.1光纤的产生及应用
7.1.1光纤探索阶段
7.1.2光纤实用阶段
7.2光纤的种类和结构
7.2.1光纤的种类
7.2.2光纤的结构
7.3光纤的制作技术
7.3.1光纤材料
7.3.2光纤预制棒制备
7.3.3光纤拉丝
7.3.4光纤涂覆
7.4折射率突变光纤的光线理论分析
7.4.1光纤中的光线
7.4.2光纤的数值孔径
7.4.3子午光线的时延差
7.5折射率渐变光纤的光线理论分析
7.5.1平方律光纤(自聚焦光纤)
7.5.2光线在光纤中的传播轨迹
7.6光纤的损耗
7.6.1吸收损耗
7.6.2散射损耗
7.7光纤的色散
7.7.1光纤色散的种类
7.7.2光波导色散
7.7.3多模色散
7.7.4材料色散
7.8光纤传感技术
7.8.1光纤传感器的基本原理
7.8.2光纤传感器的优点
7.8.3光纤传感器的类型
7.9光纤通信技术
7.9.1光纤通信技术的基本原理
7.9.2光纤通信的特点
7.10光纤激光器
7.10.1光纤激光器的工作原理
7.10.2光纤激光器的特点
7.10.3典型光纤激光器
小结7
习题7
附录A常用术语
参考文献

     第3章 CHAPTER 3 光波导元器件和传感器 【教学目的和学习目标】 （1） 了解光波导元器件的种类 （2） 掌握光路变换器的结构和原理 （3） 掌握功率分配器的结构和原理 （4） 掌握光波导偏振器的结构和原理 （5） 掌握模分割器和模变换器的结构和原理 （6） 掌握光波导型透镜的结构和原理 （7） 了解光波导传感器的种类、结构和原理 【本章引言】 导波光学除了研究各种光波导传光理论之外，还研究光波导元器件的制备技术和工艺，最终目的是在制作光波导元器件的基础上制作出集成光路，从而实现光学系统的小型化、轻型化、稳定化和高性能化。作为集成光路结构中不可缺少的光波导型元器件，可以分为无源器件和有源器件。光波导无源器件是指不受外场控制的器件，这类器件一般只用于光传输； 光波导有源器件是指受外场控制的器件，这类器件一般用于光源、调制器和探测器等。离散光学系统中，人们自然而然地就会想到反射镜、透镜、棱镜和光栅等无源器件。但要制作集成光路，就不能再使用这些体型光学器件，而要使用光波导型无源器件。光波导型无源器件全部都要使用平面化的光波导。如果直接将传统的光学器件进行简单的平面化，其结果将会是要么不可能实现，要么实现起来非常困难，即使能够制作出来，性能也不理想。因此，必须设计出与体型器件不同结构以及不同工作原理的器件，以便能够适于制作成光波导型结构。在这些光波导型器件中，通过对光波导特性的有效利用，可以实现在体型器件中无法实现的新功能和新特性。本章将主要讲述光路变换器、功率分配器、偏振器、模分割器、波长分波器以及透镜等光波导型元器件的结构和工作原理。 3.1光路变换器 集成光路一般可以分为混合集成光路和单片集成光路。混合集成光路是将两种以上的衬底材料设法结合在一起，使对于不同的器件的光特性很好化； 而单片集成光路是所有器件使用单个衬底材料。 要在同一块衬底上同时制作出多个光学器件，并实现光路的互通互连，就必不可少地要有能够使光路的方向变化的器件，也就是光路变换器。因此，光路变换器是能够改变光束（光路）方向的器件，主要有光波导棱镜、端面反射镜和弯曲光波导等。本节将讲述它们的结构和工作原理。 3.1.1光波导棱镜 图31光波导棱镜(薄膜棱镜产生 的光路变换)示意图 光波导棱镜如图31所示。它是在二维光波导上加载棱镜形状的薄膜。其工作原理是遵循光在折射率不同的两种介质的界面上反射和折射定律。值得注意的是，在薄膜棱镜的情况下，所使用的折射率是与模对应的有效折射率。 在体型棱镜的情况下，通常所对应的两种介质是空气和玻璃，由于它们二者的折射率差值比较大，光路偏转角度可以取得比较大的数值； 而在薄膜棱镜的情况下，两种介质的折射率差别不大，因此，光路的偏转角就比较小。 3.1.2端面反射镜 端面反射镜如图32所示。它是将光波导的一端研磨抛光成对于光波导面成严格90°的平面，从而，利用光在光波导端面的反射进行光路变换。为了形成很好的反射效果，要求端面与光波导面之间形成准确的90°，而且在端面与光波导面处发生全反射。 图32端面反射镜产生的光路 变换示意图 在扩大光路变换角度，又不降低反射效率的情况下，一般需要在研磨过的端面上制作金属或介质全反射膜。对于受空气包围的玻璃光波导，临界角θc约为42°； 对于LiNbO3光波导，临界角θc约为27°。 端面反射镜制作通常利用光波导层的解理面，也就是在解理面上镀全反射膜后制作而成。 3.1.3弯曲光波导 弯曲光波导通常是指将两个分离的光波导连接起来的部分，即耦合段。利用弯曲光波导将两个分离的光波导连接起来通常有以下4种方式。 1. 直接连接 如图33所示，两条光波导在x方向和y方向分别偏移了lx和ly，利用耦合段可以很方便地将这两条光波导直接连接起来，但这时候两个曲折部分的散射损耗必然会变大。 图33直接连接示意图 要想减小这种散射损耗，必须减小弯曲角度θ，因此，在保持ly不变的条件下减小θ，就一定要增加lx的长度，也就是增加耦合段的长度，这对于制作小尺寸器件是非常不利的。 2. 分段连接 如图34所示，把直接连接的耦合段部分分割成N-1个曲折的直光波导，并使每段直光波导的长度Δl具有相等的耦合长度Lc，然后将它们连接起来。由于弯曲光波导的分割数的增加而减小了每次弯曲的角度，从而减小了散射损耗。分段连接时在曲折处产生的导模，在传输了Δl的长度后，再次耦合进入同相位的导模。这种连接方式虽然工艺上复杂，但却有较好地降低散射损耗的效果。 分段连接时的曲折角 Δθ=2θN-2 (3.11) 式中，N称为连接点个数，N≥3； θ称为直接连接时的曲折角。 图34分段连接示意图 3. S形连接 如图35所示，利用两个曲率半径为R的弯