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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