微纳光子集成

第1章 光波导基本理论 1

1.1 平板波导 2

1.1.1 射线理论分析法 2

1.1.2 波动理论分析法 4

1.1.3 高斯近似模场 9

1.2 条形波导 10

1.2.1 Macatli方法 10

1.2.2 等效折射率方法 13

1.3 本章小结 14

参考文献 14

第2章 光束传输方法 16

2.1 全矢量波动方程 16

2.2 BPM 17

2.3 BPM应用实例 21

2.3.1 实例1：定向耦合器 21

2.3.2 实例2：马赫-曾德尔干涉仪 21

2.4 本章小结 22

参考文献 22

第3章 时域有限差分方法 24

3.1 引言 24

3.2 麦克斯韦方程的FDTD计算式及基本性质 25

3.2.1 Yee元胞及差分格式 25

3.2.2 数值稳定性条件 28

3.2.3 数值色散与噪声 28

3.3 完美匹配层吸收边界条件 29

3.4 激励源设置 32

3.4.1 脉冲源与稳态源 32

3.4.2 总场散射场分离 33

3.5 色散介质的有限差分方法 34

3.5.1 联系D和E的因果性和几种典型色散模型 34

3.5.2 色散介质的FDTD差分算法 36

3.6 计算实例与分析 38

参考文献 39

第4章 常见光波导材料与结构 40

4.1 典型光波导材料与结构 40

4.1.1 SiO2材料及波导 40

4.1.2 Ⅲ-Ⅴ族半导体材料及波导 42

4.1.3 铌酸锂（LiNbO3）材料及波导 43

4.1.4 聚合物材料及波导 44

4.1.5 硅绝缘体材料及波导 45

4.1.6 新型纳米光波导 48

4.1.7 光波导材料及结构小结 50

4.2 光波导器件的制作工艺 51

4.2.1 波导层薄膜生长 53

4.2.2 光刻工艺 55

4.2.3 刻蚀技术 59

4.3 光波导器件的测试 63

4.3.1 测试流程 63

4.3.2 测试装置 65

4.3.3 波导传输损耗测试方法 65

4.3.4 光波导器件的封装与测试 68

4.4 本章小结 70

参考文献 70

第5章 光波导耦合器 73

5.1 光耦合器概述及分类 73

5.2 光耦合器的一般技术参数 75

5.3 Y分支概述 79

5.3.1 Y分支的基本原理 79

5.3.2 Y分支的设计举例 81

5.3.3 可调谐Y分支 83

5.3.4 Y分支的应用 83

5.4 MMI耦合器 84

5.4.1 MMI耦合器基本原理 84

5.4.2 MMI耦合器的应用 87

5.5 定向耦合器 89

5.6 本章小结 91

参考文献 92

第6章 波分复用器 94

6.1 波分复用技术 94

6.2 波分复用器件 95

6.3 AWG 98

6.3.1 AWG原理和几何设计 98

6.3.2 AWG的理论建模 112

6.4 EDG 121

6.5 波分复用器件优化设计 124

6.5.1 带通平坦设计 124

6.5.2 偏振不敏感设计 126

6.5.3 热不敏感设计 128

6.5.4 低串扰设计 129

6.5.5 其他优化设计 130

6.6 波分复用器件的应用 130

6.6.1 单纤三向器件 130

6.6.2 光码分多址复用的编解码器应用 131

6.7 本章小结 132

参考文献 133

第7章 微环谐振器及相关器件 135

7.1 概述 135

7.2 基本原理 135

7.2.1 基本结构 135

7.2.2 基本参量 137

7.2.3 基本功能 139

7.3 传输矩阵法 139

7.3.1 振幅耦合方程 139

7.3.2 单环滤波器 140

7.3.3 并联双环滤波器 145

7.3.4 串联双环滤波器 149

7.4 基于微环谐振器的集成光子器件 153

7.4.1 滤波器 153

7.4.2 波分复用器件 154

7.4.3 微环传感器 155

7.4.4 微环激光器 159

7.4.5 微环光调制器 160

7.4.6 微环光开关 161

7.5 本章小结 162

参考文献 162

第8章 基于表面等离子体结构的纳米光集成 164

8.1 引言 164

8.2 表面等离子体的基本性质 166

8.2.1 金属的色散模型 166

8.2.2 金属/介质单界面上的表面等离子体 169

8.2.3 多层结构中的表面等离子体 175

8.3 表面等离子体在亚波长光集成中的应用 184

8.3.1 金属纳米颗粒阵列波导 184

8.3.2 长程表面等离子体器件 186

8.3.3 MIM波导及器件 187

8.4 本章讨论与展望 192

参考文献 194

第9章 光子晶体波导及器件 197

9.1 光子晶体简介 197

9.1.1 光子晶体的概念 197

9.1.2 光子晶体的应用 197

9.2 光子晶体波导 199

9.2.1 二维平板光子晶体 199

9.2.2 光子晶体平板波导 200

9.2.3 基于光子晶体波导的基本单元 202

9.3 基于光子晶体波导的新型集成器件 204

9.3.1 光子晶体功分器 204

9.3.2 光子晶体波分复用器 206

9.3.3 光子晶体光开关 207

9.3.4 光子晶体慢波波导 208

9.3.5 光子晶体高Q值微腔 211

9.4 光子晶体波导的制作 213

9.5 本章小结与讨论 215

参考文献 216

第10章 硅光子学 218

10.1 概述 218

10.2 半导体物理基础 219

10.2.1 晶体 219

10.2.2 能带及材料的分类 219

10.2.3 电子的跃迁和空穴 221

10.2.4 直接带隙和间接带隙半导体 222

10.2.5 硅材料的特性 222

10.3 硅基拉曼激光器 223

10.3.1 拉曼散射和受激拉曼散射 223

10.3.2 双光子吸收和自由载流子吸收 224

10.3.3 硅基拉曼激光器 225

10.4 硅基电光调制器 227

10.4.1 自由载流子等离子色散效应 227

10.4.2 基于马赫-曾德尔干涉仪结构的硅基电光调制器 228

10.4.3 基于微环谐振器结构的硅基电光调制器 229

10.5 硅基光电探测器 231

10.5.1 硅基锗探测器 231

10.5.2 硅基离子注入探测器 232

10.5.3 波导和探测器的耦合 233

10.6 硅和Ⅲ-Ⅴ族材料的混合集成 234

10.7 本章小结 235

参考文献 235