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第1章 集成光波导理论1

1.1 平面光波导的射线理论1

1.1.1 反射截面的相移系数1

1.1.2 平面介质波导中的传输模式2

1.1.3 波导损耗4

1.2 平面波导传输模式的电磁场分析7

1.2.1 TE波7

1.2.2 导模携带的功率9

1.3 三维波导传输模式的理论分析9

1.3.1 马克帝里（Marcatili）近似法9

1.3.2 有效折射率法11

1.4 两种三维波导的理论分析12

1.4.1 指数型折射率光波导的导模13

1.4.2 抛物型波导的折射率14

1.5 波导耦合理论16

参考文献22

第2章 集成电光调制器23

2.1 集成电光调制器的理论基础23

2.1.1 LiNb03晶体的电光效应23

2.1.2 相位调制25

2.1.3 强度调制27

2.2 集成电光调制器的基本参数28

2.3 脊形电极结构的有限元法分析31

2.3.1 全波分析方法31

2.3.2 准TEM分析33

2.3.3 数值分析结果33

2.4 集成电光调制器的性能优化36

2.4.1 集成电光调制器的仿真结构36

2.4.2 中心电极宽度的优化36

2.4.3 电极间距的优化36

2.4.4 电极高度的优化36

2.4.5 脊形光波导高度的优化37

2.4.6 缓冲层厚度的优化37

2.4.7 脊形集成电光调制器的优化结果37

参考文献38

第3章 LiNbO3电光调制器电极静态分析39

3.1 普通共面波导电光调制器的分析与设计39

3.1.1 特征参量40

3.1.2 施瓦兹变换41

3.1.3 部分电容法45

3.1.4 分布电容的计算过程45

3.1.5 共面波导的导体损耗50

3.1.6 计算结果及分析51

3.2 梯形电极共面波导调制器的分析55

3.2.1 分布电容的计算过程56

3.2.2 梯形电极结构的导体损耗57

3.2.3 计算结果及分析58

3.3 脊形结构共面波导调制器的分析59

3.3.1 脊形结构横截面的简化图形59

3.3.2 分布电容的计算过程60

3.3.3 脊形结构的导体损耗65

3.3.4 计算结果及分析67

3.4 结果分析69

3.5 有限元法计算电场分布71

参考文献72

第4章 光开关74

4.1 光开关概述74

4.1.1 光开关的应用74

4.1.2 光开关的分类75

4.1.3 光开关的主要性能参数76

4.2 电光效应光开关78

4.2.1 定向耦合器型光开关78

4.2.2 干涉型光开关82

4.2.3 Y分支型光开关83

4.2.4 SOI波导光开关84

4.2.5 BOA型光开关84

4.3 热光效应光开关85

4.3.1 M-Z干涉型热光开关86

4.3.2 数字型光开关87

4.3.3 Y结和X结数字型光开关88

4.4 磁光效应光开关89

4.5 声光效应光开关90

4.6 其他类型光开关91

4.6.1 机械式光开关91

4.6.2 微电子机械系统／微光机电系统开关91

4.6.3 液晶光开关92

4.6.4 气泡光开关92

4.6.5 全息光开关93

4.6.6 液体光栅开关93

4.6.7 半导体多量子阱超快光开关93

4.6.8 半导体光放大器门控光开关94

参考文献94

第5章 光波导放大器96

5.1 光放大器概述96

5.1.1 半导体光放大器96

5.1.2 使用非线性效应的放大器97

5.1.3 掺稀土光纤放大器98

5.1.4 集成光波导放大器98

5.1.5 最近的发展99

5.2 稀土材料99

5.2.1 稀土材料的发光属性99

5.2.2 稀土掺杂材料的属性101

5.2.3 泵浦机制104

5.3 基底材料及其制备105

5.3.1 红外波段的材料106

5.3.2 可见光材料108

5.3.3 制作技术109

5.4 掺稀土光波导放大器111

5.4.1 掺铒氧化铝的粒子数密度111

5.4.2 放大器设计116

5.4.3 增益计算118

5.4.4 光波导放大器的制作工艺122

5.4.5 新型结构的光波导放大器123

参考文献126

第6章 集成光波导电场传感器及其系统128

6.1 集成光波导电场传感器128

6.1.1 理论基础128

6.1.2 基本结构128

6.1.3 基本参数130

6.1.4 基本模型131

6.2 集成光波导电场传感系统132

6.2.1 基本结构和原理132

6.2.2 参数描述133

6.3 分段电极电场传感器及其系统133

6.3.1 分段电极电场传感器的原理与结构133

6.3.2 分段电极电场传感器的静电场分析135

6.3.3 分段电极电场传感器的动态模型141

6.3.4 分段电极电场传感器构成的传感系统144

6.3.5 分段电极电场传感系统的测试147

6.4 全向电场传感系统的原理与结构151

6.4.1 传统全向天线的原理151

6.4.2 新型全向电场传感系统的结构152

参考文献153

第7章 有机聚合物光学器件155

7.1 光学有机聚合物概述155

7.2 有机聚合物材料156

7.2.1 集成电光波导器件对材料的基本要求156

7.2.2 光通信波段聚合物光波导材料分子的特点157

7.2.3 聚合物材料的进展158

7.3 有机聚合物材料的制备160

7.3.1 有机聚合物的合成160

7.3.2 薄膜的制备161

7.4 有机聚合物波导的制作163

7.4.1 光刻163

7.4.2 干法刻蚀169

7.5 有机聚合物集成光学器件173

7.5.1 有机聚合物电光调制器173

7.5.2 有机聚合物可调光衰减器176

7.5.3 有机聚合物光开关179

参考文献183

第8章 集成光学器件的应用186

8.1 集成光学模数转换器186

8.1.1 模数转换器（A/D转换器）186

8.1.2 数模转换器（D/A转换器）190

8.2 集成光学卷积器和相关器191

8.2.1 卷积器191

8.2.2 相关器193

8.3 集成光学频谱分析仪193

8.4 集成逻辑光路197

8.5 光纤陀螺的基本原理与结构200

8.5.1 干涉式光纤陀螺（ I-FOG） 原理200

8.5.2 光纤陀螺的基本结构201

8.5.3 光纤陀螺用Y分支调制器设计203

8.5.4 Y分支调制器的设计版图207

8.6 集成光波导气体传感器207

8.6.1 气体传感器的基本原理208

8.6.2 波导模式的有效折射率法和传输线理论分析208

8.6.3 气敏有机材料的结构与合成210

8.6.4 实验结果211

参考文献211

第9章 光束传输法214

9.1 电磁场基本方程214

9.1.1 麦克斯韦方程组214

9.1.2 二维光波导的TE模方程215

9.1.3 二维光波导的TM模方程215

9.1.4 矢量和半矢量波动方程216

9.2 二维标量FDBPM的基本原理217

9.2.1 TE模FDBPM格式217

9.2.2 TM模FDBPM格式219

9.2.3 二维标量FDBPM格式的稳定性分析220

9.2.4 透明边界条件与方程求解222

9.3 三维FDBPM的基本原理224

9.3.1 三维标量FDBPM的基本格式224

9.3.2 三维半矢量FDBPM的基本格式226

9.3.3 三维矢量FDBPM的基本格式226

9.4 FDBPM仿真光波导举例228

9.4.1 Y分支波导的仿真228

9.4.2 M-Z型调制器的仿真231

9.4.3 电光开关的仿真233

9.4.4 三维Y分支波导的仿真235

9.5 商用光波导仿真软件237

参考文献238

第10章 LiNbO3集成光学器件的制作技术239

10.1 集成光学调制器的制作工艺239

10.1.1 光刻过程239

10.1.2 光波导的质子交换制作243

10.1.3 薄膜沉积技术243

10.1.4 刻蚀技术244

10.1.5 基片的研磨与耦合封装245

10.2 退火质子交换技术246

10.2.1 光波导质子交换和Ti扩散技术的比较246

10.2.2 质子交换技术247

10.2.3 退火技术249

10.3 Ti扩散技术251

10.3.1 Ti扩散LiNb03波导物理机理分析251

10.3.2 Ti扩散LiNbO3波导工艺及原理252

10.3.3 Ti扩散LiNb03折射率分布与浓度的关系253

10.3.4 Ti扩散模式控制与模斑控制254

10.4 离子交换技术256

参考文献257

附录258

附录A FDBPM仿真算法流程图258

附录B 二维有限差分光束传输法Matlab源程序258

附录C 二维Y分支光波导有限差分光束传输法Matlab源程序260

附录D 二维电光开关有限差分光束传输法Matlab源程序262

附录E 二维M-Z电光调制器有限差分光束传输法Matlab源程序264

附录F 求解二维光波导有效折射率的Matlab源程序266