光波导技术1.docx

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光波导技术1

研究生课程作业封面

课程名称：

光波导技术基础

学生姓名：

王斌

学号：

sc12038069

年级：

2012级

刚开始接触光波导，在前两节课中，通过老师的讲解对光波导的理论进行了简单的了解。

在课后的时间中，查阅相关的文献，对光波导领域中，波导激光器和集成光学的内容挺感兴趣。

查阅了几篇文献，通过读文献，对波导激光器和集成光学有了一点基本的了解。

这里，写一下感兴趣的综述，作为读文献的收获。

我的了解比较浅显，没能很深入，还需要进一步的进行学习和研究。

光波导技术及涉及到的波导激光器一些综述

1.波导的基本介绍

波导作为信号传播的通道和器件的连接装置，是集成光学的重要组成部分，大多数的集成光学元件都是以波导为基础的。

波导从结构上来讲，是一个被低折射率介质包围的高折射率区域，基于全反射原理光被限制在一个微米量级的传输区域内。

通过上了两次课，老师的讲解，对波导的基本的知识，也有了大概的了解和理解，还在学习中。

这里就不再进行介绍了，在课余时间对理论知识看了一些。

1.1波导的结构和分类

波导是一个高折射率的区域，它的四周的介质低于内部的折射率，以满足全反射的条件。

光通过在这种满足全反射条件的介质中传播，发生全反射以“z”字型来传播。

根据对光维数限制的情况，波导可以分类为一维波导和二维波导。

一维波导又称平面波导（如下图a所示），一维波导是由表面覆盖层、波导层、基质层三层折射率不同的介质层构成，满足全反射的折射率条件，覆盖层和衬底层的厚度比波导层的厚度要大的多，光线只受垂直方向（x）的限制。

二维波导是对腔内的光线进行x和z方向限制的波导。

根据波导四周的介质情况，又可以分类为脊型波导、埋层型波导和表面型波导（如上图b所示）。

其中，埋层型波导和表面型波导就是传统意义的条形波导。

有三个面与空气介质相接触，与基质材料相接触的有一个面，这种波导结构是脊型波导。

其中，不和空气介质相接触，只和基质介质接触的波导结构，是埋层型波导。

在基质材料之中制备波导，但是只有一个面与空气相接触的波导结构，是表面型波导。

波导结构按照波导形状又可以分为：

光纤（圆柱形介质波导）、薄膜波导（平面波导）、矩形波导（条形波导）、带状波导。

波导按照折射率来进行分类又可以分为均匀介质光波导和渐变折射率介质光波导。

1.2波导的制备方法

光波导的研究方法与当前科技的发展密不可分，随着技术的发展，新的制作方法不断的出现。

波导的制备方法有很多种。

这里简单的介绍几种常用的效果良好的制备波导结构的方法。

（1）载能粒子束所谓的载能粒子束法就是利用载能粒子和材料相互作用使得材料的折射率发生改变，从而制备波导结构。

该方法对材料的性质影响轻微，而且该方法不受温度限制，可在任何温度下实行，可以准确的控制折射率的变化，广泛的应用于晶体、陶瓷、有机物、玻璃中。

载能粒子束法可以分为离子注入式、快重离子辐照、聚焦质子束直写。

主要介绍离子注入法。

离子注入法使用具有一定能量的高速离子束来轰击材料表面，高速离子束通过使用高压电场加速离子获得，轰击材料表面的离子束与材料发生作用，使得离子束的能量不断减少，最后离子的能量不足以维持，就会留在材料中，这就会改变材料的折射率，从而制备出波导。

离子注入制备的波导根据材料折射率变化的不同可以分为光位垒型、增强势阱型、光位垒+增强势阱型。

折射率增强势阱是折射率增强的部分，光位垒是折射率降低的部分。

离子注入方法主要有以下几个优势：

1，适用范围广，100多种光学材料。

2，在常温或低温下完成。

3，准确控制光波导的特征参数。

4，可以形成“晶体”波导，晶体保持原有的属性。

5，重复性好。

6，可以与其它技术相结合等等。

光位垒型的波导结构

增强型的波导结构

（2）超快激光直写超快激光直写技术的原理是，激光聚焦处介质材料和激光发生非线性多光子吸收，这种效应可以使得材料的折射率发生改变，利用材料与超快激光的这种效应来控制材料折射率的改变，制备波导结构。

这种方法应用广泛，适用于多种材料，还可以对介质进行内部的三维加工，制备波导。

飞秒激光技术是超快激光直写的一种，其原理和超快激光直写是一样的，此外还有皮秒激光也属于超快激光。

取决于材料的线性、非线性性质和写入条件的不同，飞秒激光直写可以使材料在激光焦点处的折射率升高或者降低。

飞秒激光直写技术制备波导可以分为四种类型。

1.灼烧写入：

激光聚焦在材料的表面，焦点处被灼烧形成凹槽，在凹槽的下方位置，折射率升高从而可以构成波导结构。

2.单线写入：

激光聚焦在了材料的内部，焦点处折射率升高，焦点按着直线行进，从而构成波导结构。

3.双线写入：

同样焦点也是在材料的内部，不过焦点处的折射率降低，周围介质折射率升高，写入两条直线，从而构成波导结构。

4.四线写入：

在双线写入的轨迹上，沿着与其垂直的方向上再写入两条直线，构成波导结构。

（3）选择性光诱导用光源选择性照射光折变晶体，利用品体的光折变性质改变晶体的折射率分布，在相对折射率升高的区域形成波导。

这种方法制备的波导稳定性较差，多用于制备阵列结构以进行光孤子方面的研究。

虽然这种方法较前两种较差，但是这里列出来的原因是，光折变效应。

这里对光折变效应进行一下了解和解释。

光致折射率改变效应（即光折变效应）是电光材料在光辐照下由光强的空间分布引起材料折射率变化的一种非线性现象。

其物理机制可以概括为以下几步：

（1）激发：

晶体中的杂质、缺陷作为施主，在光辐照下会产生光激发载流子，施主失去电子后变成可以俘获光生载流子的空位。

（2）迁移：

光激发载流子通过浓度扩散、外加电场或光生伏打效应的作用，在晶体中漂移运动。

（3）俘获：

迁移中的载流子被空位俘获，然后再被光激发、再俘获，直至运动到没有光辐照的区域，这样就形成正负两种电荷的空问分离，电荷的空间分布与光强的空间分布相对应。

（4）空间电荷场：

这些电荷的空间分布在晶体内建立了相应的电场（空间电荷场）。

（5）折射率变化-空间电荷场通过电光效应改变了晶体的折射率分布，折射率分布与光强的空间分布相对应。

所以通过这里，对光折变效应有了一个简单的了解。

（4）光刻技术制造条形波导

先准备制备的材料，然后在上面铺上一层光刻胶（分为正光刻胶和负光刻胶，所起的作用有所不同），用要刻得模板设置形状构成掩模板，将一部分光刻胶融掉（用光照射的方式是光刻胶进行化学反应），形成3所示，这样就形成一定图案，经过显影，洗掉未曝光的光刻胶，再对已经曝光的部分一系列处理形成能阻挡离子注入到材料内部的部分，最后如4所示进行离子注入，由于处理后的阻挡，所以离子只是注入到了未被阻挡的部分，形成光波导。

这里出现了光刻技术，对光刻技术进行一点了解。

光刻技术的简介：

光刻技术是半导体加工制造行业中常用的一门图形转移技术。

根据曝光方式不同，光刻技术可以大致分为传统光学光刻技术、PSM技术、极紫外光刻技术、离子束曝光技术等。

这里介绍传统的光刻技术。

一个完整的光刻工艺可以分为光刻胶的选择、光刻版设计、样品清洗、甩胶、前烘、曝光、显影和后烘等八个步骤。

（1）光刻胶的选择光刻胶又叫光致抗蚀剂，主要由感光树脂、增感剂和溶剂三种原料组成。

经过光照射后，曝光区域会发生光固化反应，改变光刻胶的各项物理性质，例如溶解性、亲和性等。

通过适当的显影处理可以溶解可溶部分，形成所需要的图形。

光刻胶的种类有很多，根据显影原理可以大致分为负性和正性光刻胶。

对于负性光刻胶，光照射的部分溶解性极大的降低，显影后会保留下来；对于正性光刻胶，被光照射的部分溶解性大幅度增强，显影过程中会被溶解掉。

（2）光刻版设计设计光刻板，即根据需要的光刻图形制备曝光步骤时需要的光刻掩膜版。

（3）清洗清洗的目的是为了去除样品表面的有机或无机污渍。

根据样品自身物理化学性质的不同，样品的清洗步骤不同。

一般会用酸来进行处理。

（4）甩胶甩胶又叫涂胶，就是将光刻胶均匀的涂在样品的表面。

（5）前烘前烘就是对甩胶后的样品进行烘干处理，它的目的是去除光刻胶的溶剂，提高光刻胶和样品的粘附力和光刻胶的机械性能。

（6）曝光曝光是指将光（紫外光）透过光刻版照射光刻胶。

应当在尽可能短的时间内使光刻胶充分感光，以便于在显影后获得尽可能高分辨率。

（7）显影显影是指用溶剂将未曝光部分（负胶）或曝光部分（正胶）的光刻胶溶解，保留下的部分在样品上形成光刻胶图形。

（8）后烘

后烘又叫做曝膜，它的目的是去除显影后胶层内残留的溶剂。

后烘时需要注意升温和降温速度不应过快，以防止后烘过程中发生塌胶和变形现象。

几种外，还有其他的制备方法。

金属离子扩散法、离子交换法、离子束切片法、溶胶凝胶法、外延生长。

2.波导激光器的基本介绍

波导激光器有着输出功率高、结构紧凑、泵浦阈值低、斜率效率高、稳定性好等优点，因此波导激光器有着很好的应用和前景。

这些都可以从波导激光器的基本原理出发，得出波导激光器的特点性质。

这里，主要介绍波导激光器的基本原理，波导激光器的相对优点，波导激光器的发展和分类，波导构成的谐振腔和耦合方式。

2.1波导激光器的基本原理

波导激光器的原理是，在基质材料上通过微加工技术（离子注入、飞秒激光直写）制备波导结构，然后在波导结构的两端加上反射腔镜构成激光器的谐振腔，用耦合系统将泵浦光引入波导腔内，形成激光振荡，从而输出激光。

波导激光有很多特点，简单的介绍有：

1.容易实现粒子数反转2.体积小，结构紧凑，应用广3.可以单独使用也可以和其他光学器件结合使用。

4.横纵比大，散热性好5.泵浦阈值较体材料小很多6.斜率效率高7.稳定性好，受环境影响小。

2.2波导激光器的优点

波导激光器中，波导腔的腔内体积小，在很低的入射光下就可以达到很大的能量密度值，一些大体积材料光学性质在波导结构当中，可以得到一定程度的加强。

因此它可以表现出多种特点，如泵浦阈值低、斜率效率高、稳定性好等。

波导激光器与其他激光器相比，性能又是怎样呢？

1、相对于光纤激光器的优点：

如果从基本原理上来说，那么光纤激光器也是一种波导激光器，因为其采用光纤作为增益介质，而光纤可以大规模生产，因此得以迅速发展。

但是光纤中的激活离子的掺杂浓度不能很高，否则激光器会产生很大的能量损耗，所以作为激光器中增益介质的光纤，需要数米，毫无疑问这肯定会产生一系列的问题。

例如，大部分的单频光纤激光器仅适合于实现小于100KHz的窄线宽激光输出，而且它的输出功率还不到10mw。

作为增益介质的光纤太长，为了减小光纤激光器的体积，人们设计了环形光纤激光器。

虽然在一定程度上体积减小了，但是人们发现，这种激光器线宽小于10kHz，最大输出功率还很低。

波导激光器中的激活离子的掺杂浓度可以很高，比光纤激光器的要高出10-20倍，因此波导激光器可以以更小的体积获得更高的输出功率而且其腔内损耗更低，波导激光器的小巧体积和其更好的稳定性使其适用于移动装置中。

还有就是，现在采用半导体激光器（LD）泵浦已经是固体激光器的一个趋势，而波导激光器的波导截面与LD的椭圆光束更为接近。

因此在耦合效率相同的情况下LD泵浦波导激光器的耦合系统更为简单。

因此LD泵浦的波导激光器可以降低LD泵浦源的功率要求，降低成本，有着较大的潜力。

2、相对于半导体激光器的优势：

半导体激光器具有体型小、效率高、结构简单、价格便宜、性能稳定等优点，可应用于光纤通信、激光唱片、光盘、数显等，因此，半导体激光器在通信应用历史上占据着重要地位。

但是，半导体激光器有一个缺点就是，输出线宽较大，必须通过额外的手段，即附加一个额外延伸腔的复杂结构来将其压窄到几十千赫。

半导体激光器的这种性质，主要是因为半导体装置中，激活粒子的上能级带宽大，荧光寿命很短，大约在纳秒量级。

所以在半导体激光器中，这种纳秒量级的自发散射现象使得半导体激光器增益不稳定，从而引起增益介质当中局部载流子浓度的变化，进而导致折射率的变化，最终使得激光线宽的展宽的发生。

这个性能使得半导体激光器不适合于诸如遥感和测量等要求线宽很窄的领域应用中工作。

在波导激光器中，很多种工作物质都采用Er作为激活离子，Er的上能级寿命达到毫秒量级，这就远远的超过了半导体激光器装置中的纳秒量级，而这个对于实现粒子数反转是十分有利的一个性质。

2.3波导激光器的发展

在激光器产生的时候，波导激光的设计想法就已经被提出。

在开始的时候，它的研究目的只是缩小激光器谐振腔的体积，并且得以实现高输出功率的、良好斜率效率的、低泵浦阈值的稳定的激光输出。

在20世纪70年代的时候报道出波导激光器，因为那时在波导制备工艺上还有很大的技术困难，而且还没有合适的泵浦光源，所以波导激光器的研究在相当长的一段时间里发展缓慢。

在20世纪80年代末的时候，制备波导结构的材料微加工技术有了明显的进展；伴随着半导体激光器的输出功率的不断提高，LD成为一种可实际应用的激光泵浦源，在相关学科的支持下波导激光的研究技术慢慢的得到成熟。

各种相关技术的成熟，慢慢地将人们的研究兴趣再次集中到波导激光器这块新的研究领域当中国。

终于在上个世纪90年代末，由Hibino成功的制备了薄膜波导激光，这开启了波导激光相关研究的新历史发展时期。

2.4波导激光器的分类

波导激光器按照增益介质的不同首先可以分为气体波导激光器和固体波导激光器。

CO2波导激光器在1972年首次报道出来以后，CO2波导激光器的波导结构经历了单波导结构、波导阵列结构、面增比和体增比技术的发展,在放电激励方式上经历了直流放电激励和射频放电激励的技术发展。

波导激光器将朝着高质量光束、体积小、功率高、易加工、低成本的方向快速发展。

发展现状，射频横向激励扩散型冷却CO2激光器技术是波导激光器在20世纪90代的最新的技术,目前只有英、德、中、美、日等少数几个国家掌握该项技术，是国际上最先进的被称为第四代波导激光器。

（这里看到了CO2激光器的技术进步的发展，包括CO2波导激光器的为什么采用波导阵列、面增比和体增比，实际激光器的温度的影响，冷却问题，增益问题、模体积的影响）。

固体波导激光器性能更稳定，种类更多。

从基质材料上可以分为半导体材料、聚合物、单晶、玻璃、多晶、陶瓷等。

玻璃中最早用作基质材料是硅酸盐玻璃，其后还有硼酸盐玻璃、锗玻璃，磷酸盐玻璃是基质材料的较好选择。

在晶体中铌酸锂晶体被广泛的应用于波导结构的制备，铌酸锂的光学、物理和化学性质优良，而且生产成本低易于形成大尺寸的单晶，目前以铌酸锂晶体为基质的波导元件处于成熟阶段。

根据泵浦源的不同波导激光器还可以进行分类，闪光灯泵浦、非LD激光泵浦、LD激光泵浦。

最初的时候人们使用闪光灯泵浦增益介质来获得激光的输出，但是泵浦的效率过低，而且如果激活粒子掺杂浓度较高时，会导致激励的不均匀。

目前研制成功的人眼安全激光测距机，就是以闪光灯泵浦的Er：

Yb玻璃波导激光器。

在八十年代的时候，激光泵浦的波导激光器得以实现，与闪光灯泵浦的相比，具有体积较小、效率较高、热畸变相对较小等优点。

在适宜波长的半导体激光泵浦源出现以后，适于集成的小型化的波导激光器成为可能。

在二十世纪九十年代的时候，首个半导体激光器泵浦的波导激光器得以实现。

总结

波导激光器从第一次被提出到第一次成功的实现，从第一次成功实现到现在的各种各样的波导激光器的发明创造与兴起。

从一个理论上的实验对象，到现在被广泛的应用在通信、集成光学、测量、射频、微波光子学等领域。

波导激光器的快速发展，是波导激光器的优越的性能的必然结果。

波导激光器得以实现和发展，同时也是相关学科的发展和进步的结果，激光、光学、材料学、薄膜光学、薄膜制备技术、材料微加工技术、激光微加工技术等等。

波导激光器的发展，激起了一串的耀眼的光华，熠熠闪光。

关于波导激光器的阅读，还没有完成。

还可以对波导激光器的深层次的谐振腔的结构、波导激光器的耦合、波导激光器的性能制约因素、损耗等问题进行阅读，找一个波导激光器的制备的例子。

而且光波导还与集成光学有着密切的联系，也可以研读。

而且要做到从理论知识上出发，来讨论具体的例子。

这都是下面应该和要做的。

参考文献

[1]谭杨.光学晶体波导中的激光和非线性效应

[2]赵楠.Er：

Yb共掺磷酸盐玻璃条形波导激光器研究.

[3]姚淑娜.波导CO2激光技术的发展概况和前景.北京联合大学学报（自然科学版）

[4]张彤,崔一平.集成光学国际研究进展.电子器件,

[5]ChaoZhang,NingningDong,JinYang.ChannelwaveguidelasersinNdGGGcrystalsfabricatedbyfemtosecondlaserinscription.OPTICSEXPRESS,2011,19（13）

[6]光波导的理论以及制备方法介绍