集成光电子学题集

考试题型及分值1.填空题：10空，每空2分，共20分。2.概念题：5个，每个3分，共15分。3.判断正误：10个，每个2分，共20分。4.简答题(包含推导或者证明)：7题，每题6~8分，共45分。C1概论1.什么是集成光路？集成光电子学的概念。·.1969年，美国贝尔实验室(BellLab)的S.E.Miller首先提出了“集成光学”的概念。–通过集成，原先庞大的光电子系统可以被缩小至几个平方厘米的尺寸范围内。–由于所有器件都在衬底上固定，因此制成之后，即无需装调(震动影响小)。–光信号限定在光纤或者光波导中传播(不受空气扰动、潮湿、灰尘的影响)。2.最早提出集成光学概念的是？S.E.Miller首先提出了“集成光学”的概念3.1970年对集成光电子学而言有重要意义的几项技术进展是什么？(1)AlGaAs双异质结半导体激光器实现室温条件下连续工作。(2)光刻技术获得突破性进展(3)光纤损耗突破20dB/km下限。(4)1987年：光子晶体概念的提出。4.用光子作为信息载体，相比于电子，具有哪些优势？(1).光子为玻色子，不带电荷，不像电子那样存在相互排斥的电磁作用。在空间中不同的光可以平行或者交叉传播而不相互干扰。因此光信号的传输具有高度的并行性。(2).相比于电子，光子振荡频率要高出几个数量级，因此具备非常强的载频能力。(3).光子的强度、振幅、偏振、相位等多种物理量均可作为信息载体，因此设计灵活性很高。5.集成光路相比于分立器件构成的空间光路有何优势？(1)集成带来的稳固定位：集成是在同一块衬底上制作若干个器件，因此不存在第二代器件面临的组装问题，所有器件位置固定，对振动和温度等环境因素的适应性较强。(2)易于调制导波光：集成光路使用的光波导属于单模波导，利用电光效应(EO),声光效应(AO),热光效应(TO)可以很好地实现光调制。(3)工作电压低，相互作用长度短。单模光波导控制电极间的距离可以做到非常小，因此实现在低电压控制的同时，相互间的作用强度反而更大。(4)动作迅速。电极尺寸减小，分布电容也大为减小，实现开关与调制的高速化。(5)功率密度高。导波光被限定在极小的空间内，功率密度远高于空间光束的功率密度，容易实现非线性效应，依此制成相应的器件。(6)体积小、重量轻。器件尺寸即数平方厘米的衬底尺寸，因此体积小、重量轻。6.光电子集成的方式有哪两种？两种集成方式的概念是什么？分别举例2~3种。功能集成定义：把不同功能的光电元件集成在一起，制造出具备新的功能，或者具备更高性能的器件。功能集成可大幅降低连接点数目；例1.半导体激光器(LD)与光调制器(opticalmodulator)集成例2.LD与隔离器的集成例3.集成光收发器个数集成定义：将多个相同功能的光电子元器件集成在一起，即构成所谓的个数集成。一列上集成几个到数十个元器件，形成一维阵列器件。一个平面上集成纵横数个到数十个，甚至更多个元器件，构成二维阵列器件例1阵列式光源及接收器例2：矩阵式光开关7.判断正误：（1）矩阵式光开关属于功能集成器件。（2）集成调制光电二极管属于功能集成器件。（3）混合集成的主要优势是材料选择的范围更宽。(4)功能集成的主要优势是材料选择的范围更宽。8.什么是单片集成？什么是混合集成？单片集成及混合集成各自的优势以及劣势是什么？1.单片集成概念：所有光电子器件经晶体生长、光刻、刻蚀及成膜等制作工艺集成在同一块半导体或者晶体衬底上，即构成“单片集成”。一旦技术确立，便可批量生产。特点：对于光电子集成而言，不同的器件需要不同的材料体系。光电子集成更为复杂。2.混合集成概念：用不同的制作工艺制成各部分器件以后，组装在半导体衬底或者光学晶体衬底上即构成“混合集成”特点：使用不同材料体系，允许不同类别的器件各自选择最合适的材料和工艺以取得最好的性能。C2平面介质波导理论1.在介质波导中，定义有有效折射率，请写出有效折射率的表达形式？对于图示的平板介质波导(23nn)，使光波完全限定在芯层中传播，有效折射率需要满足怎样的条件？出现衬底辐射模的条件？出现包层衬底辐射模的条件？(由入射角、有效折射率或者传播常数给定)定义有效折射率（或者有效模系数）0/effnk满足21effnnn衬底辐射模的条件32effnnn衬底包层辐射模的条件：3effnn2.光波在平板介质波导(芯层、衬底及包层折射率分别为123,,nnn，且123nnn)中导行传播的条件用传播常数表示应为：2010nknk。3.在二维介质光波导中存在两种相互独立的模式，分别为？两种模式其基本场量具有什么样的特征？二维介质光波导中的导波模式的场分布在芯层、包层、衬底层分别具有什么样的特点？在平板介质光波导中存在两种相互独立的模式TE模式和TM模式。对于TE模式，只存在三个分量：,,yxzEHH对于约束在芯层传输的光波场而言，在芯层中为振荡形式(正弦余弦形式),在芯层两侧为指数形式,并随着远离芯层而衰减。对于TM模式，只存在三个分量：,,yxzHEE对于约束在芯层传输的光波场而言，在芯层中为振荡形式(正弦余弦形式)，在芯层两侧为指数形式，并随着远离芯层而衰减。4.求解梯度折射率波导中模式有效折射率的近似方法有哪些？1.多层近似法2.光线近似法3.WKB法5.判断正误：(1)平板型的光波导，光只受到一个方向的限制，在光波导的芯层，光束能量会因为衍射而发散。(2)在折射率相差较小的介质构成的条形波导中，不存在纯粹的TE模式及纯粹的TM模式，而是构成所谓的混合模式(hybridmode)。（3）条载式光波导是一种平板光波导。(4)在平板波导或者条形光波导中，导波模式的能量完全限定在芯层中传播，没有能量进入到包层或者衬底。(5)对非对称平板介质波导，每个模式都存在一个截止波长，当输入光波的波长小于该介质波长时，相应的模式截止。(6)对称平板截至光波导TE和TM模式的最低阶次模式不存在截止波长。(7)同阶次TE模式的截止波长比TM模式的截止波长大。6.折射率相差较小的介质构成的条形波导中存在哪些偏振模式？这些偏振模式是纯粹的TE模式或者纯粹的TM模式吗？在折射率相差较小的介质构成的条形波导中，不存在纯粹的TE模式及纯粹的TM模式，而是构成所谓的混合模式。以xE为主要成分的模式称为xpgE模式（准TE模式），类似于平板光波导中的TE模式。以yE为主要成分的模式称为ypgE模式（准TM模式），类似于平板光波导中的TM模式。7.试描述条形光波导中导波模式的场分布的基本特征。8.马卡提利法求解条形光波导，采用了哪些近似？选取这些近似条件的理论依据是什么？沿波导传输的导行波其传输功率主要集中于I区，II，III，IV及V区传输的功率都远小于I区。而四角的功率又远小于II~V区。C3耦合模理论1.什么是模式耦合?耦合模理论是如何处理或者描述扰动波导中光波的传输行为的？但是实际的波导总存在材料或者结构上的缺陷，或者人为引入材料或结构上的扰动，使得一个导波模可以激发其他导波模或者辐射模，原来的导波模在传播过程中，一部分功率会转移至辐射模或者其他导波模式中去，这种现象就是模式耦合。没有损耗的波导结构，沿传播方向（z轴方向）不变，该波导可以支持几个由波导结构和边界条件确定的导模。这些导模彼此正交。在传播过程中，各阶导模独立传播，没有相互耦合与交换。如果轻微的改变波导结构，例如在波导临近的区域引入较小的折射率变化，原先的模式就不再相互独立而是相互耦合在一起。2.判断正误:（1）波导结构决定的模式（包括辐射模）构成了一套完备的正交函数，输入波导的任意电磁场都可以分解为这些模式的叠加。(2)耦合模理论表明，受到扰动的波导中的光场，可以表示为不受扰动的波导各阶模式的叠加；(3)耦合模方程通常只考虑很少数量的模式，选择哪些模式，由实际的物理条件而定;(4)各向同性介质，正交偏振的模式之间的耦合不可能发生;(5)各向异性介质，正交偏振的模式之间的耦合不可能发生;(6)在不存在损耗的波导中传输的互相耦合的模式总的传输能量不变；(7)根据耦合模理论，理想条件下，逆向耦合可以实现100%的耦合效率；(8)根据耦合模理论，理想条件下，同向耦合可以实现100%的耦合效率。(9)一个波导中可以存在多个导波模。这些模式可以被选择性的单独激发，也可以被一起激发。选择波导中的导波模是激发的导波模式的叠加。理想条件下这些模式相互独立的传播，并始终保持各自初始的状态。3.概述同向耦合光波导(两个波导)中光波传输的基本规律。（1）两波导中传输的功率具有周期性。光功率的最大值和最小值在两波导中交替出现。（2）令22222F01F显然，F参数决定了最大耦合功率。显然相位失配越小，则F越接近于1，最大耦合功率越大。相位失配越大，则F越接近于零，最大耦合功率越小，并趋于零。（3）耦合长度及周期。最大耦合功率发生在zL使2sin1z的位置。即1,0,1,2,...2Lmm时，耦合至波导II的功率最大。耦合功率达到最大的最短距离：min2L称为耦合长度最大耦合功率出现的周期为pL（4）如果使两波导完全相同，则波导中的模式具有相同的传播常数，,0,ab耦合参数F=1。能量可以在两波导间完全转移，100%。耦合长度min2L耦合系数越大，则耦合长度越短。4.由于严重的相位失配，在两平行光波导中逆向传播的导播模式之间很难发生耦合，为了使其高效耦合，需要引入附加因素。例如，可以通过在两波导间引入折射率的周期扰动，实现该目的。5.解释光波导中逆向传播的模式很难发生的原因。6.周期性折射率扰动引入的耦合系数可以表示为jzabe，其中为正实数。为了使传播常数为a的前向传输模式与传播常数为b的后向传输模式高效率地耦合，应满足_2ba__的引入可以使__20_____。C4电光集成器件1.对于LiNbO3晶体，沿哪个方向施加电场可以获得最强的线性电光效应？电光效应引起的折射率的变化量取决于电光常数和外加电场。当外加电场的方向改变时，折射率变化量的符号也相应改变。LN中，33是最大的电光常数，在z轴方向施加电场，对e光可以有最大折射率变化。LN最大击穿电场强度是10/Vm在该电场强度下，由33引起的折射率变化量为31.610。2.判断正误:（1）泡克尔斯效应，或者线性电光效应，折射率的变化与电场强度的平方成正比；（2）克尔效应，折射率的改变与电场强度成正比；(3)光调制用于将信息加载与光波，而光开关则用于实现光信号的切换；(4)一般而言，电光开关的速度要比声光开关的速度慢；（5）LiNbO3晶体电光系数张量元中最大的一个是51。3.理想定向耦合器实现能量完全转移的条件？如何用理想定向耦合器实现功率平均分配的1*2的功率分数器？（1）两波导具有相同的传播常数（2）对于理想的定向耦合器（不存在相位失配0），能量完全由一个波导耦合进入另外一个波导的传播距离为2L4.使用具有电光效应，声光效应，磁光效应，非线性效应的材料作为衬底形成光波导，利用外部信号控制光，或者将信息加载于光频载波之上，以实现波导型光调制器。5.试概述定向耦合器型电光调制器的工作原理。(由交叉态切换到直通态，相位失配满足怎样的条件？0100%调制时，定向耦合器两臂中有效折射率之差为？3effLkn)6.用=表示直通态，×表示交叉态。试在由定向耦合器型矩阵式光开关上标注，实现特定的光路切换。例如：1,2,3,4输入信号分别切换至4’，3’，2’，1’输出。1231'2'3'4'4(a)横梁式1234'43'2'1'（b）简单树状7.描述马赫-增德尔干涉仪型电光开关的工作原理。通过改变施加在电极上的电压，有效光程长度会发生改变。如果施加电压，使两臂传输的光波有的相移变化，相位相反的光波叠加后会使输出波导的输出光场为零，输出光被截止。该调制器可以通过施加电压，将传输状态的光转换为非传输态。8.什么是模式转换器？什么事电光模式转换器？模式转换器