Optical Waveguide Theory
光波导-1201
阶跃光纤与渐变光纤
单模光纤与多模光纤
对称/非对称波导
n
对称波导：
芯区周围的介质折射率相同
n
非对称波导：
芯区周围的介质折技术
信息获取
信息传输
信息处理
其它应用
位移、振动 温度、压力 应变、应力 电流、电压 电场、磁场 流量、浓度 可以测量 70 多 个物理化学量
产学研合作平台
以华中科技大学为 以华中科技大学为 依托，建立接入系 依托，建立接入系 统工程实验研发平 统工程实验研发平 台，向国内外企业 台，向国内外企业 开放 开放 n n 理事企业优先使用 理事企业优先使用 技术平台，优先使 技术平台，优先使 用实验室的技术成 用实验室的技术成 果。 果。 n 联盟企业共享实验 n 联盟企业共享实验 室技术平台体系， 室技术平台体系， 开发新产品新技术。 开发新产品新技术。
n
光波导的进一步分类
�按纤芯折射率分布： 均匀折射率分布光波导；渐变折射率分布光波导 �按传播模式： 单模光波导；多模光波导 �按材料： 石英、塑料与红外光波导、III-V族材料光波导 �特种光波导（光纤）： 保偏(单偏振)光纤；有源光纤；晶体光纤 零/非零色散位移光纤；负色散光纤； 特殊涂层光纤；耐辐射光纤；发光光纤
光波探秘
光是什么？ n维系生命要素 n信息科学支柱 n光线的集束 n光子的集合 n一种电磁波
光波的传播
光波的重要参数 n光波强度 n光波频率 n光波长 n光波相位 n光波的偏振
光子学与光电子学
n
光子学：Photonics
– 描述光子的产生、传播、调制、放大、处理、 探测、存储等行为的一门学科 – 量子光学、分子光学、非线性光学、超快光学、 光子集成
光波导理论---第一讲
模式理论新应用 @2007OE
@2009 OSA A
芯的排列/数量组合
Tomáš Čižmár and Kishan Dholakia Optics Express, Vol. 19, Issue 20, p p. 18871-18884 (2011)
“光纤之父”----高锟博士 2009 诺贝尔 奖获得者
∗ 园截面介质光波导中场分布模式的 理论和实验研究也由E.Snitzer等在 1961年发表. ∗ 直到60年代中期，最好的光学玻璃 的传输损耗仍高达1000dB/km
意味着如果要在一公里长的光纤末端检测到一个波长为 1µm的光子(其能量为hv=6.625×10-34×3×1014~2×10-19J), 在其始端应输入的能量为2×1081J,这将远远超过太阳系形 成以来其全部辐射能量的总和 全部辐射能量的总和
导波光学是研究波长范围大体为0.1～10µm的电 磁波在各种波导结构中传播特性的科学
光纤是信息时代的基础
∗ 美研制出硒化锌光纤 可使军用激光雷 达效率更高。 ∗ 硒化锌光纤却可以传送波长为15微米的 光 ∗ /2011/0301 /14847.html
光纤激光器
激光攻击导弹
天文观测 基准星
微纳光纤
∗ 寂寞了二十多年的“集成光学 集成光学”的概念重又受到人 集成光学 们的关注，并发展成为“集成光子学”和“集成光 电子学”：在很小的空间范围内，将具有多种功能 的导波光学器件、光电子器件和电子电路集成在一 起，以提高性能、降低成本。值得注意的是，这里 的“集成”主要是指各种功能的集成，而不是像集 成电路那样强调单位面积内的元件数。 ∗ Kaminow I. P. Optical Integrated Circuits: A Personal Perspective.[J]. Lightwave Technology, Journal of, 2008, 26(9): 994-1004.
§1-8 相速、群体及色散特性
二、色 散 特 性
相速与工作频率的关系称为色散特性。显然，我们更感兴趣的是导波模的色散特性。表示色散 特性的常用方法包括如下几种： （1） β = f (ω)或ω = f (β ) ，见图 1-8-1。图中画出了三个导波模 a、b、c 的色散特性。由§ 1-5 的讨论可知,它们都夹在 (β / ω) = n 1 / c和(β / ω) = n 2 / c 的扇形区域 II 内。其中 b、c 的截 止角频率为 ωcb 和ωcc 。模式 a 的截止频率最低（在本例中为 0），称为基模。当 ω → ∞ 时各模式
−2 −1 2
，或光强角谱 A (u ) 下降
。对 s 上述两种不同 E(r)的计算结果见表 1-10-1。 表 1-10-1 光束的角谱及相关参数
E(r) A(u) ud θd
∞
高斯光束 exp(-r2/w2) exp[-(uw/2)2] 2/w 0.32λ/nw
阶跃光束 1, 0≤r<w 0, r>w 2J1(uw)/uw ≈ exp[-0.14(uw)2] 2.7/w 0.43λ/nw
2 2
(
2 1/ 2
（1-5-13）有该分量应为 [k n
2 0
2
(x ) − β 2 ]1/ 2 。二维限制光波导中，当 n = n (r ) 时，由式（1-5-13）
1/ 2
)
；当折射率为对称渐变分布（图 1-2-4）时，由式（1-2-8）、
2 2 v2 2 有该分量应为 k 0 n (r ) − β − 2 r
2
ˆ (r ) 是空间位置的函数。只要与波长相比，n(r)是空间位置的慢变函数，此近似就 k (r ) = n (r )k 0 k
二、用本地平面波概念确定波导模的本征值
光学微环谐振腔的研究与应用
光学微环谐振腔的研究与应用摘要：随着光纤通信技术的发展，光通信网络需要不断地提高工作性能和降低运营成本，其核心技术在于光波导器件的微型化、集成化和规模化，与此同时未来全光网络迫切需要能够实现多种功能的新型光波导器件。
微环谐振器(简称微环)满足了上述两个要求，其微纳米量级的尺寸非常适于大规模单片紧密集成。
本文首先说明了光的全反射理论和波导的基本结构。
然后介绍了光学微环谐振腔器件原理和他们的光学传输特性。
基于绝缘体上硅波导（Silicon-On-Insulator SOI）的微纳米环形谐振腔，由于其尺度为微纳米范围，具有超高的集成度并且其加工技术可以和互补型金属氧化物半导体(Complementary metal–oxide–semiconductor COMS)工艺相兼容，使其正在成为光器件加工的诱人方案。
我们在这里提出一种耦合的集成光波导结构，这样的结构可以使集成化的光波导陀螺的灵敏度得到加强。
关键词: 微谐振腔, 光波导，SOI，陀螺RESEARCH&APPLICATIONS OF OPTICAL MICRORINGRESONATORSAbstractWith the development of fiber-optic communication technologies, high-performance and low-cost are both desirable for optical communication networks.The core technology includes small-size optical waveguide devices with the potentials for integrations.In addition, optical waveguide devices with various functions for all optical signal processing are becoming more important for the realization of future all-optical networks.The microring resonator is a suitable candidate to meet these two requirements.Moreover, its small size is very suitable for integration with large dimension.In this thesis, we first introduce the light of total internal reflection (TIR) theory and the basic structure of waveguide. Then we introduce the principle of mcroringresonator, analysis their transmission property. Micro-ring resonators based on silicon- on-insulator (SOI) structure are promising building-blocks for ultra-compact and highly integrated photonic circuits. The fabrication technology is mostly CMOS-compatible.We propose a configuration of integrated waveguide structure consisting of resonators coupled to an arc-shape waveguide. Such proposed configuration can be used to realize highly compact optical gyroscope for rotation sensing.Key words: microresonators ,waveguide ,SOI ,Gyroscope1. 引言光通信，顾名思义，即用光作为信息的载体来传递信号，在通信不发达的古代，人们就已经懂得利用光来传递信息。
集成光学 第三章
Theory of Optical Waveguides •The electromagnetic wave theory of the physical-optic approach is developed in detail.•Emphasis is placed on the two basic waveguide geometries that are used most often in optical integrated circuits, the planar waveguide and the rectangular waveguide.在本章中将学到•如何解波动方程并导出介质波导模式方程•介质波导中消逝场的特性•对称波导与非对称波导的截止条件•如何分析矩形波导重点掌握波导中消逝场的特性、对称波导与非对称波导的截止条件、2种沟道波导的结构•rectangular waveguide：矩形波导•standing waves：驻波•permeability：磁导率•transcendental equation：超越方程•confining layer：约束层•waveguiding layer：导引层•evanescent “tail” ：消逝“尾”模•extinction coefficient：消逝系数•symmetric waveguide：对称波导•asymmetric waveguide：非对称波导•channel waveguide：条形波导•strip-loaded waveguide：沟道波导•metal strip-loaded waveguide：金属狭缝沟道波导•dielectric strip-loaded waveguide：介质条沟道波导3.1 Planar Waveguide3.1.1The Basic Three-Layer Planar Waveguide •Considering the basic three-layer waveguidestructure shown in Fig. 3.1. The light confining layers, with indices of refraction n1and n3, areassumed to extend to infinity in the +x and -xdirections, respectively.•There are no reflections in the x direction to beconcerned with, except for those occurring atthe n1-n2and n2-n3interfaces.x=0 x= -t n1n2n3xyzFig. 3.1 Basic three-layer planar waveguide structureFor the case of TE plane waves traveling in the z direction, with propagation constant β, Maxwell’s wave equation (2.2.1) reduces to with solutions of the form...3,2,1,22222=∂∂=∇i t E c n E y i y )()(),,(z t i y y e x t z x E βωε-=(3.1.1)(3.1.2)•For TE waves, it will be recalled that E x andE z are zero. Note that in (3.1.2) thathas no y or z dependence because the planar layers are assumed to be infinite in these directions, precluding the possibility of reflections and resultant standing waves.)(x y⎪⎩⎪⎨⎧++-=)](exp[)sin()cos()exp()(t x p D hx C hx B qx A x y ε)()0()0(t x x t x -≤≤-∞≤≤-∞≤≤The transverse function has the generalform)(x y ε(3.1.3)where A, B, C, D, q , h and p are all constants that can be determined by matching the boundary conditions, which requires the continuity [3.1]of and .)(x y ε()()z y H i x x ωμε=∂∂Since the permeability μand frequency ωare assumed to be constant, the second conditiontranslates into a requirement that becontinuous. The constants A, B, C and D can bedetermined by making andcontinuous at the boundary between Region 1 and Region 2 (x =0), and continuous at x = -t . The procedure provides three equations in fourunknowns, so that the solution for can beexpressed in terms of a single constant C ')(x y ε)(x y εx y ∂∂εx y ∂∂ε⎪⎩⎪⎨⎧++'-'-'=)](exp[)]sin()()[cos()]sin()()[cos()exp(t x p ht h q ht C hx h q hx C qx C y ε)()0()0(t x x t x -≤≤-∞≤≤-∞≤≤ck k n p k n h k n q ωβββ=-=-=-=212232212222212212)()()(Substitute (3.1.4) into (3.1.2), using the resulting expression for E y (x ,z ,t ) in (3.1.1) for each of the regions, obtaining (3.1.4)(3.1.5)By making continuous at x = -t yield the conditionx y ∂∂ε)]sin()()[cos()cos()()sin(ht h q ht p ht h q h ht h +=----or after simplification )1()tan(2h pq h q p ht -+=(3.1.6)The transcendental equation (3.1.6), in conjunction with (3.1.5), can be solved either graphically, by plotting right and left sides as a function of βand noting the intersection points, or numerically on a computer. Regardless of the method of solution, the result is a set of discrete allowed values of β, corresponding to the allowed modes. For each βm , the corresponding values of q m , h m and p m can be determined from (3.1.5).The one remaining unknown constant C 'in (3.1.4) is arbitrary. However, it is convenient to normalize sothat represents a power flow of one Watt per unit which in the y direction. Thus, a mode forwhich has a power flow of W/m.)(x y ε)(x A y y εε=2A Based on normalization condition, one gets))(11(222m m m m m m m q h p q t h C +++='βωμ(3.1.7)For the case of TM modes, the development exactly parallels that which has just been performed for the TE case, except that the non-zero components are H y , E x , and E z rather than E y , H x , and H z .•场在区域1和区域3是指数式衰减的，衰减的快慢分别由q、p决定。
一种单色全息平板波导显示系统的研究
一种单色全息平板波导显示系统的研究王龙辉;汪岗;黄丽琼;尚婷婷【摘要】设计了一种由耦出线性全息光栅和耦入体全息光栅组成的单色全息平板波导显示系统.该系统的工作原理是微型显示器发出的单色图像光波信息经过准直透镜后,通过耦入体全息光栅和耦出线性光栅把图像光波信息从平板玻璃的一端耦入,另外一端耦出,最终在出瞳位置进入人眼.介绍了全息光栅的特点,利用耦合波理论与K矢量闭合法理论推导全息光栅的视场角,同时介绍了全息光栅的设计方法,该方法是通过分束镜将激光分为物光波和参考光波,且按照一定的入射角度在全息干板上发生干涉来实现.模拟仿真结果表明:该系统显示视场角为18° ×14°,出瞳距离为30 mm,传递函数M T F在30 lp/mm时均在0.3以上,满足目视系统的使用要求,可以应用于新一代头盔显示系统中.【期刊名称】《应用光学》【年(卷),期】2019(040)002【总页数】5页(P241-245)【关键词】光学设计;全息平板波导;全息光栅;视场角;显示系统【作者】王龙辉;汪岗;黄丽琼;尚婷婷【作者单位】西安北方光电科技防务有限公司,陕西西安710043;西安北方光电科技防务有限公司,陕西西安710043;西安北方光电科技防务有限公司,陕西西安710043;西安北方光电科技防务有限公司,陕西西安710043【正文语种】中文【中图分类】TN26引言近年来，随着增强现实(augmented reality，AR)技术在军事行动、医疗诊断和娱乐游戏等领域的广泛应用，便携透射式显示成为新一代微型显示系统的主要发展方向[1]。
透射式显示可分为折-衍混合式透镜组[2]、棱镜组[3]、投影系统[4]和平板波导[5-10]等形式，考虑到整个显示系统需要轻型化、小型化、高集成性等特点，目前普遍采用的显示方式为平板波导显示。
平板波导显示与轻型化穿戴式装置组合成为一种可穿戴式平板波导显示系统，如以色列Lumus公司推出的PD-18显示系统[11-12]，平板波导上镀有多层反射膜，可实现全彩色和高亮度显示，显示视场可达27°，但对镀膜工艺水平要求极高；日本Sony公司研制了一款将全息技术应用于平板波导中的穿戴式全息显示眼镜[13]，同样可实现全彩色显示，显示视场为20°，但使用多层叠加的全息光学元件使系统结构较为复杂，同时色散不好校正；英国BAE公司生产的Q-Sight型头盔显示器[14](head mounted display， HMD)已经实现商业化，它同样是利用全息技术具有单色显示视场高达40°×30°，出瞳直径为30 mm ，显示分辨率高等特点，其中微型显示器是通过准直透镜组或棱镜组将图像信息耦入到平板波导中，这无疑会增加系统的质量，且结构设计相对复杂。
光波导原理：CH3 平面光波导
m1 m m1 m
ei m1 m am ei m1 m am
Am Bm
5
TE波的求解
1. 以TE波为例，各层介质内电 磁场均为沿x方向正反向传 输的TE波叠加而成
2. 满足阶跃折射率边界条件
与之前周期性结 构求解过程一样
3. 满足无穷远处边界条件
—— 只研究“束缚场”
假设波导一共有M（M>2）层均匀分布的介质、即 M-1个折射率突变界面，则总的传输矩阵T为：
2 1 1 2
1 k02n12 2 k0n1
n2
2 i 2 k02n22 k0n2 n1
n2
1a tan1 2 1 整数 mp 2
10
2a 9 m=0
8
m=1
7
m=2
6
m=3
5
4
m=4
2a
1a
tan
1a
mp 2
2a 2 1a 2 k02a2 n12 n22
2
m1
m1
m
E E
y y
,m ,m
—— TE电场的传递
2 m1
设定任意一层，假设得知正向电场数值，可以根据下边界条件和传递矩阵、得到该层
反向电场数值；假设得知反向电场数值，可以根据上边界条件和传递矩阵、得到该层
正向电场数值
导波模式存在，则要求在零注入边界条件下，从任一层“发射”的光在x方向来回一 次能够实现自再现；即：横向谐振即横向的自再现
T 22 0
根据求解特征值方程得到的，代入各层介 质电磁场的表达式，即完成波导的求解
纵向传播常数不再自由选择
例子：最简单的三层介质膜波导
A3 0
1 2 3
3 1 3 1
强化玻璃检测方法
壹、 前言
根據美國研究暨顧問公司 Gartner 表示，如圖 1 和圖 2 所示在 2010 年至 2013 年間，智能手機和平 板電腦的年均銷售量分別增長 70%與 20%，直至 2020 年智慧裝置的時代將蓬勃發展。智慧裝置輕 薄短小的同時又要保障其耐用程度，絕大部分此類設備都將採用觸碰面板，因此需要更輕盈，更耐用 且堅固的玻璃，實驗證明，經由特殊的加工後，可以在不影響使用手感下提高玻璃的硬度，延長智慧 裝置的使用壽命，這種加工處理後的玻璃稱之為強化玻璃。
圖 6：日本折原公司的產品與示意圖
圖 7：美國 Strainoptices 公司的產品與示意圖
貳、 研究方法
如圖 8 所示，強化玻璃表面應力量測系統包含寬頻光源、導入與導出光柵、線型偏光片、準直反射鏡 與光譜儀，寬頻光源準直後經過線型偏光片選定 TE 或 TM 模態，入射進穿透式光柵，不同波長的光 源會產生不同角度的繞射，當繞射角度大於強化玻璃至空氣的全反射角，並且符合波導的特徵方程式 時，便可以在強化玻璃表面傳遞，直至第二個穿透式光柵導出，從不同模態下的波長可以計算出強化 玻璃的強化程度與強化深度。
圖 1：2008-2013 全球智能手機銷售量
圖 2：2008-2013 全球平板銷售量 強化玻璃是一種預應力玻璃，玻璃強化的方式分為物理和化學兩種，物理強化玻璃的加工方式，是將
普通玻璃加熱至玻璃軟化點附近再強制冷卻，急速冷卻的結果讓玻璃表面分子間收縮，形成壓應力， 而表面與內部則形成拉應力，使得玻璃強度提高，如圖 3 所示。
圖 11：波導的初階與高階模態 不同模態的波導會對應出不同有效折射率，如圖 12 所示，可以此求出強化玻璃的應力與強化深度
圖 12：強化玻璃應力與深度計算流程
參、 研究結果
物理学专业英语词汇
物理学专业英语词汇摘要：物理学是一门研究自然界最基本的规律和现象的科学，它涉及到许多专业的英语词汇，对于物理学专业的学习者来说，掌握这些词汇是非常重要的。
本文根据物理学的不同分支，整理了一些常用的物理学专业英语词汇，并用表格的形式给出了中文和英文的对照，以便于读者查阅和记忆。
本文旨在为物理学专业的学习者提供一个参考资料，帮助他们提高英语水平和物理知识。
1. 基础物理 Basic Physics中文英文物理量physical quantity物理单位physical unit标准单位standard unit国际单位制International System of Units (SI)基本量base quantity导出量derived quantity标量scalar矢量vector位移displacement速度velocity加速度acceleration力force动量momentum动能kinetic energy势能potential energy能量守恒conservation of energy功work功率power压强pressure浮力buoyancy摩擦力friction force弹力elastic force重力gravity force引力常数gravitational constant圆周运动circular motion向心力centripetal force简谐振动simple harmonic motion振幅amplitude频率frequency周期period2. 热学 Thermodynamics中文英文温度temperature热力学温标thermodynamic temperature scale 开尔文温标Kelvin temperature scale摄氏温标Celsius temperature scale华氏温标Fahrenheit temperature scale热平衡thermal equilibrium热力学第零定律zeroth law of thermodynamics热量heat热容量heat capacity比热容specific heat capacity理想气体定律ideal gas law普适气体常数universal gas constant3. 光学 Optics中文英文光light光源light source光线light ray光束light beam光波light wave波长wavelength频率frequency振幅amplitude相位phase干涉interference衍射diffraction偏振polarization光速speed of light折射率refractive index折射定律law of refraction反射定律law of reflection全反射total reflection透镜lens镜头lens焦距focal length焦点focus物镜objective lens可见光visible light紫外光ultraviolet light红外光infrared light4. 电学 Electricity中文英文电荷electric charge电流electric current电压electric voltage电阻electric resistance电阻率resistivity电容electric capacitance电容率permittivity5. 原子物理 Atomic Physics中文英文原子atom原子核atomic nucleus原子序数atomic number原子量atomic mass原子半径atomic radius原子轨道atomic orbit电子electron质子proton中子neutron电子云electron cloud电子壳层electron shell价电子valence electron离子ion同位素isotope同素异形体allotrope核裂变nuclear fission核聚变nuclear fusion核反应堆nuclear reactor核武器nuclear weapon6. 量子物理 Quantum Physics中文英文量子quantum量子力学quantum mechanics量子场论quantum field theory量子数quantum number量子态quantum state量子纠缠quantum entanglement量子隧穿quantum tunneling测不准原理uncertainty principle薛定谔方程Schrödinger equation海森堡矩阵力学Heisenberg matrix mechanics 7. 固体物理 Solid State Physics中文英文固体solid晶体crystal晶格lattice晶胞unit cell晶面指数Miller index点阵常数lattice constant点缺陷point defect线缺陷line defect8. 电磁学 Electromagnetism中文英文电荷electric charge电流electric current电场electric field电势electric potential电压electric voltage电阻electric resistance电阻率resistivity电容electric capacitance电容率permittivity电感electric inductance电磁感应electromagnetic induction电磁波electromagnetic wave磁场magnetic field磁通量magnetic flux磁感应强度magnetic induction intensity磁化率magnetic susceptibility磁导率magnetic permeability9. 光子学 Photonics中文英文光子photon光源light source光纤optical fiber光波导optical waveguide光谱spectrum光谱仪spectrometer激光器laser半导体激光器semiconductor laser激光二极管laser diode发光二极管light-emitting diode (LED)光探测器photodetector光电倍增管photomultiplier tube (PMT) 10. 流体力学 Fluid Mechanics中文英文流体fluid气体gas液体liquid粘性viscosity粘滞力viscous force流速flow velocity流量flow rate流线streamline管流pipe flow层流laminar flow湍流turbulent flow雷诺数Reynolds number伯努利方程Bernoulli's equation压力差pressure difference水头head水锤现象water hammer11. 波动光学 Wave Optics中文英文光波light wave波前wavefront光程差optical path difference干涉条纹interference fringe干涉仪interferometer杨氏双缝实验Young's double-slit experiment 迈克尔逊干涉仪Michelson interferometer法布里-珀罗干涉仪Fabry-Perot interferometer衍射现象diffraction phenomenon衍射级数diffraction order中文英文衍射极限diffraction limit单缝衍射single-slit diffraction双缝衍射double-slit diffraction12. 相对论 Relativity中文英文相对论relativity狭义相对论special relativity广义相对论general relativity惯性系inertial frame参考系reference frame洛伦兹变换Lorentz transformation洛伦兹收缩Lorentz contraction时间膨胀time dilation质能方程mass-energy equation光速不变原理principle of constancy of light speed 相对性原理principle of relativity引力场gravitational field引力波gravitational wave弯曲的时空curved spacetime13. 核物理 Nuclear Physics中文英文核物理nuclear physics原子核atomic nucleus核子nucleon质子proton中子neutron核力nuclear force核结合能nuclear binding energy核裂变nuclear fission核聚变nuclear fusion放射性元素radioactive element放射性衰变radioactive decay半衰期half-lifeα衰变alpha decayβ衰变beta decay。
集成光学 第二章
Optical Waveguide Modes•The optical waveguide is the fundamental element that interconnects the variousdevices of an optical integrated circuits, just as a metalic strip does in an electrical integrated circuit. However, unlike electricalcurrent that flows through a metal strip according to Ohm’s law, optical waves travel in the waveguide in distinct mode. A mode,in this sense, is a spatial distribution ofoptical energy in one or more dimensions that remains constant in time.•In this chapter, the concept of optical modes in a waveguiding structure is discussed qualitatively, and key results of waveguide theory are presented with minimal proof to give the reader a general understanding of the nature of light propagation in an optical waveguide.在本章将学到：•什么是导波模式•在平板波导中导波模式是什么样子•导波的截止条件与波导结构参量的关系•观测导波模式的实验技术•描述波传输的波动方程基础•如何从几何光学和锯齿波概念导出模式方程重点掌握波动方程基础中形成各种模式的条件、导波的截止条件和射线光学的方法•mode：模式•index of refraction：折射率•three-layer planar waveguide：三层平板波导•rectangular cross section：矩形横截面•monochromatic waves：单色波•sinusoidal functions of x：正弦函数sin(x)•exponential functions of x：指数函数exp(x)或exp(-x)•substrate radiation mode：衬底辐射模•radiation mode：辐射模•cutoff conditions：截止条件•discrete values：离散值•Helium-Neon laser：He-Ne激光器•photodetector：光电探测器•oscilloscope：示波器•vertical：垂直的•horizontal sweep：水平扫描•physical-optic approach：物理光学方法•ray-optic approach：射线光学方法•total internal reflection：全内反射•zig-zag paths：锯齿路径•refraction：折射•incidence：入射•wavefront：波阵面•destructive interference：相消干涉•transcendental equation：超越方程•an effective index of refraction：有效折射率2.1 Modes in a Planar Waveguide Structure•As shown in Fig. 2.1, a planar waveguide is characterized by parallel planar boundaries with respect to one (x) direction, but is infinite in extent in the lateral directions (z and y). n2>n3>n1•It cannot be a practical waveguide for optical integrated circuits, but it forms the basis for the analysis of practical waveguides of rectangular cross section.Fig. 2.1 Diagram of the basic three-layer planar waveguide structure. Three modes are shown, representing distributions of electric field in the x direction.1Theoretical Description of the Modes of a Three-Layer Planar Waveguide •Consider the simple three-layer planar waveguide structure of Fig. 2.1. The layers are all assumed to be infinite in extent in the y and z directions, and layers 1 and 3 are also assumed to be semi-infinite in the x direction. Light waves are assumed to be propagating in the z direction.•A mode is a spatial distribution of optical energy in one or more dimensions. Itsequivalent mathematical definition is that it is an electromagnetic field which is a solution of Maxwell’s wave equation 22222),()(),(t t r E c r n t r E ∂∂=∇ϖϖϖϖϖis the electric field vector, is the radius vector, is the index of refraction, and c is the speed of light in a vacuum.),(t r E ϖϖr ϖ)(r n ϖFor monochromatic waves, the solution have the form iwt e r E t r E )(),(ϖϖϖϖ=ωis the radian frequency(2.1.1)•obtain 0)()()(222=+∇r E r n k r E ϖϖϖϖϖck ω=Assume: a uniform plane wave propagating in the z direction, that is,z i e y x E r E β-=),()(ϖϖϖ0),(])([),()(2222222=-+∂∂+∂∂y x E r n k y x E y x ϖϖϖβSince the waveguide is assumed infinite in the y direction, by writing the above separately for the three regions in x ,0)()()(0)()()(0)()()(223222222222221222=-+∂∂=-+∂∂=-+∂∂x E n k x E x x E n k x E xx E n k x E xββββbeing apropagation constantRegion1Region2Region3(2.1.5)22222),()(),(t t r E c r n t r E ∂∂=∇ϖϖϖϖϖiwt e r E t r E )(),(ϖϖϖϖ=k =ω/c)()()(222=+∇r E r n k r E ϖϖϖϖϖz i e y x E r E β-=),()(ϖϖϖ0),(])([),()(2222222=-+∂∂+∂∂y x E r n k y x E yx ϖϖϖβ•式（2.1.5）的解称为平面波导的本征模式，相应的本征值 就是该模式沿z向的传播常数。
飞秒激光在双折射微结构光纤中模式控制的四波混频效应的实验研究
飞秒激光在双折射微结构光纤中模式控制的四波混频效应的实验研究3胡明列 王清月 栗岩峰 王 专 柴 路 张伟力(天津大学精密仪器与光电子工程学院超快激光研究室光电信息技术科学教育部重点实验室(天津大学),天津 300072)(2004年7月15日收到;2004年12月31日收到修改稿) 利用飞秒激光脉冲在长度为10cm ,包层具有大空气比的双折射微结构光纤中通过高阶模相位匹配的四波混频获得了波长可调谐的反斯托克斯波.实验中脉冲宽度为35fs ,中心波长820nm ,单脉冲能量4n J 的飞秒激光脉冲耦合到长轴直径为5μm ,短轴为416μm 的双折射微结构光纤中.在高阶模传输情况下,通过调制耦合光的偏振方向,获得了具有不同中心波长的反斯托克斯波.通过对比分析,讨论了输入光的偏振态对双折射微结构光纤中高阶模式下四波混频效应的影响情况.理论计算分析很好的解释了实验结果.关键词:微结构光纤,飞秒脉冲激光,四波混频PACC :7820F ,4270Q ,7155J ,3320K3国家重点基础研究专项基金(批准号:G 1999075201,2003C B314904),国家自然科学基金(批准号:60278003)和国家高技术研究发展计划(批准号:2003AA311010)资助的课题.E -mail :huminglie @ 11引言最近的研究表明微结构光纤(microstructurefibers ,MFs )[1—3]在双折射方面表现出很强的优势,通过特定设计的纤芯和包层结构能获得很高的双折射度[4—6],比传统双折射光纤能够高出1—2个数量级.这对某些应用,例如光学陀螺,激光干涉仪,以及在量子光学和光子纠缠态方面的应用具有很重要的价值.这些应用希望光纤在传输光波时不改变它的偏振态.传统的做法是在这些光纤中故意引入大量双折射,使得那些微小的、随机的双折射起伏不会严重影响光的偏振.一种方案是打破圆柱对称性,故意把纤芯或是包层做成椭圆形的结构,它的双折射度B 可达到非常小的程度(B ≈10-6),另一种可代替的方案是利用应力致双折射,使得B 可达到≈10-4.这类光纤通常以其横断面的形状特征而称之为“熊猫”光纤或“领结”光纤.而微结构光纤因其芯层包层所具有的高折射率差能极大地增强双折射度,通过特殊设计能获得比普通保偏光纤高出数量级的双折射度,从而成为该领域研究的热点[7—10].对于双折射光纤,其有效模折射率较小的轴称为快轴,在此轴上光传输的群速度较大.同样的道理,有较大有效模折射率的轴称为慢轴.对于光纤中高阶模相位匹配的参量效应和谐波的产生,人们已作了广泛的研究.最早在多模光纤中观察到高阶模下的位相匹配的是Stolen 及其合作者[11],其报道中斯托克斯波和反斯托克斯波传输在不同的高阶模.从那以后,模式控制的相位匹配参量过程成为产生新光谱的一种有效方式,而微结构光纤在这方面也显示出很强的优势[12—21].就四波混频而言,当净波矢失配κ=0时,参量增益对应四波混频峰值,这里κ可写成如下形式κ=Δk M +Δk W +Δk N L =0,(1)式中Δk M ,Δk W ,Δk N L 分别代表由材料色散、波导色散、非线性效应引起的相位失配.这三项的贡献可以分别写成Δk M =[n 3ω3+n 4ω4-2n 1ω1]Πc ,(2)Δk W =[Δn 3ω3+Δn 4ω4-(Δn 1+Δn 2)ω1]Πc ,(3)第54卷第9期2005年9月100023290Π2005Π54(09)Π4411205物 理 学 报ACT A PHY SIC A SI NIC AVol.54,N o.9,September ,2005ν2005Chin.Phys.S oc.精品文献ΔkN L=γ(P1+P2).(4) 在ω1=ω2的特定条件下,满足Δk=0的实验装置相对要简易一些,此时非线性过程中只牵涉到3个不同频率,被称作部分简并的四波混频.事实上,直接与受激拉曼散射(SRS)类比,ω3处的低频边带和ω4(假设ω3<ω4)的高频边带称为斯托克斯带和反斯托克斯带.为实现相位匹配,三项贡献中至少有一项必须为负.当然在多模光纤中,以不同模式传输的波,可使得ΔkW为负值,从而实现相位匹配.在以前的文章中,我们报道了单模双折射微结构光纤在不同偏振光作用下的四波混频效应[13];本文通过耦合角度控制,在多模微结构光纤中实现了模式控制的相位匹配四波混频过程;而同时基于其纤芯的双折射结构,通过控制输入飞秒脉冲的偏振态以及耦合的高阶模式在可见光波段获得了不同峰值和谱宽的反斯托克斯波.21双折射微结构光纤实验中使用的光纤如图1所示,与高非线性微结构光纤相比该光纤具有较大的纤芯面积,较大的空气比(空气比大于90%),其长轴为5μm,短轴为416μm.为了满足相位匹配,需要让抽运光工作在负色散区.通过数值模拟可得到在忽略偏振下的基模和第一高阶模及其他高阶模的有效折射率,再微分便可得出其色散曲线,计算结果见图2.图2说明基模的零色散点为1122μm,第一高阶模的零色散点为790nm,第二高阶模为730nm.而且实验所用的微结构光纤,受到大空气比的包层结构的影响,其芯层和包层的折射率差较大,传输的光束被完全约束在第一层空气孔中,而第二层空气孔几乎不起作用.在外圈增加空气孔,模拟计算结果得到的有效折射率没有变化,这足以证明上述论点;同时这种大纤芯高折射率差的结构使得这种光纤是多模的,而且由于各个低阶模之间较大的波矢失配而相互之间很难耦合[22].实验中发现只有通过调整耦合光束的入射方向来获得不同的高阶模,而通过弯曲或者缠绕很难获得高阶模.一旦激发出高阶模式,弯曲或者缠绕对高价模的传输影响相当小.而且由于各个模式之间的传输波矢相差很大,因此相互之间不会出现耦合.正是由于其特殊的多模特性,利用这种大空气比的微结构光纤很容易获得多模情况下相位匹配的非线性效应,例如谐波的产生[23]和四波混频等等[24],并且具有较高的转换效率.图1 大空气比双折射微结构光纤端面图2 大空气比双折射微结构光纤不同模式的色散曲线在加入微扰条件下,可以得出在两个相互垂直的偏振态下的零色散点大概有10nm的差异[15].通图3 在中心波长为820nm的飞秒激光脉冲的抽运下,第一高阶模和第二高阶模的位相匹配曲线过计算所得的有效折射率,利用(1)式和能量守恒的条件(2ω1=ω2+ω3)可以计算得出在输入脉冲中心波长为820nm时,位相失配κ的曲线,见图3;从曲线中可以得到在第一高阶模情况下,匹配的反斯托2144物 理 学 报54卷克斯波的中心波长在640nm 左右,而在第二高阶模时,为550nm 左右,与实验结果基本相符.为了方便分析,文中将不同耦合角度下的高阶模式分别简单称为第i 高阶模,i 随耦合角度的增加而递增.31实验结果及其分析实验中使用的光源是自行研制的飞秒激光振荡级系统,输出的最高平均功率可达到117W [25].实验中使用的飞秒激光脉冲宽度为35fs ,中心波长在820nm ,单脉冲能量4n J.使用了40×的耦合透镜输入输出,并采用CC D 监视仪和功率计监控耦合输入和输出的情况.耦合输入透镜前加了一片半波片来控制输入飞秒激光脉冲的偏振方向.输出光通过分束片,一束用来成像在CC D 监视器上,监控输出模式,一束用来测量光谱曲线.输入输出光谱分别由两个光谱仪接收,输入光谱由015%的分束镜分束后由Ocean Optics ,Inc.的S2000光谱仪接收用以实时观测,输出光谱通过ANDO 的AQ6315A 接收,测量精度都设定为5—10nm.而利用由于双折射结构带来色散曲线的变化,通过旋转置于耦合透镜前的半波片或者四分之一波片改变输入光的偏振态,便可图4 输出的高阶模的近场模式以得到不同中心波长的反斯托克斯超矩脉冲. 实验中获得了相互垂直的两种第一高阶模,见图4的A 和B ,模场分布为十分清楚的高阶模式.入射光的入射角度和偏振态对输出模式的强度和模式分布有较大的影响.在一定的耦合入射角下,通过旋转半波片来改变入射线偏光的偏振方向可以使输出模式A 和B 相互变化.通过改变入射线偏光的偏振方向获得的反斯托克斯波(见图5),在偏振方向旋转180°范围内.反斯托克斯波具有两个明显的峰值,分别对应于光纤的长轴和短轴,而且在偏振方向在轴线附近时,对反斯托克斯波影响非常明显.实验中没有中间状态的存在,45°线偏光入射的情况下,没有反斯托克斯波输出,这可能有两种原因,一是大空气比微结构光纤的结构使得高阶模的之间的耦合很难,二是抽运功率不够,难以激发出两种模式的混和态.在分别平行于长轴和短轴时,由于纤芯的双折射结构使得反斯托克斯波的峰值和中心波长都不一样.在偏振方向改变过程中,最大转换效率可达20%左右. 在输入的线偏光平行于快轴时,加入四分之一波片并旋转得到了相似的周期性改变的结果,见图6.从图6中还可以发现获得的反斯托克斯波的光谱图5 在高阶模式A 和B 时,通过半波片改变入射线偏光的偏振方向获得的反斯托克斯波光谱图,0°表示偏振方向平行于长轴明显变得更宽,并且在两个相互垂直的方向上的光谱差别减小,这是由于线偏光通过四分之一波片后形成的椭圆偏光或圆偏光除在长轴和短轴方向上有分量外,在其附近还有其他分量,而这些分量产生的光谱相互错开,叠加后形成较宽的光谱.31449期胡明列等:飞秒激光在双折射微结构光纤中模式控制的四波混频效应的实验研究图6 在高阶模式A和B时,通过四分之一波片改变入射线偏光的偏振态获得的反斯托克斯波光谱图,0°表示四分之一波片的主轴平行于长轴在继续增大耦合入射角的情况下,更高阶的模式便出现了,模场分布如图4的C.同样在改变入射光的偏振态的情况下,输出的反斯托克斯的强度和中心波长都在发生变化,如图7所示.但是同上面情况不同的是,平行于短轴的偏振光入射时,没有另一个垂直状态的模式出现.这可以解释为受到双折射结构的影响,短轴方向的折射率曲线不满足相位匹配条件.在此模式下,偏振方向改变过程中,最大转换效率可达16%左右.图7 在高阶模式C时,通过半波片改变入射线偏光的偏振方向获得的反斯托克斯波光谱图,0°表示偏振方向平行于长轴41结 论利用飞秒激光振荡器输出的纳焦耳量级的飞秒激光脉冲通过长度为10cm双折射微结构光纤获得了转换效率高达20%的反斯托克斯波,并且输出的反斯托克斯波的中心波长和强度可以通过输入脉冲的偏振方向或者传输的模式来调谐.实验中将脉冲宽度为35fs,中心波长820nm,单脉冲能量4n J的飞秒激光脉冲耦合到长轴直径为5μm,短轴为416μm,空气比90%左右的双折射微结构光纤中,通过调制耦合光的偏振方向,以及传输模式,获得了具有不同中心波长的反斯托克斯波.理论计算分析也很好地解释了实验结果.[1]K night J C,Birks T A,Russell P S t J et al1996Opt.Lett.211547[2]Birks T A,K night J C,Russell P S t P et al1997Opt.Lett.22961[3]K night J C and Russell P S t J2002Science296276[4]Ortig osa B A,K night J C,W adsw orth W J et al2000Opt.Lett.251325[5]K erbage C,S teinvurzel A,Hele A et al2002Electron.Lett.38310[6]S teel M J and Osg ood J R M2001Opt.Lett.26229[7]Hansen T P,Broeng J,Libori S E B et al2001IEEE Photon.Technol.Lett.13588[8]K erbage C,S teinvuzel P,Reyes P et al2002Opt.Lett.27842[9]Lehtonen M,G enty Gand K aiv ola L H M2003App.Phy.Lett.822197[10]Hu M L,W ang Q Y,Li Y F et al2004Acta Phys.Sin.534248(in Chinese)[胡明列、王清月、栗岩锋等2004物理学报534248][11]S tolen R H and Leibolt W N1976Appl.Opt.15239[12]Husakou A V and Herrmann J2002JOSA B192171[13]Hu M L,W ang Q Y,Chai L et al2004Opt.Exp.121932[14]Hu M L,W ang Q Y,Li Y F et al2004Opt.Exp.126129[15]Hu M,W ang Q Y,Li Y F et al2004App.Phy.B79805[16]Sharping J E,Fiorention M,C oker A et al2001Opt.Lett.261048[17]Sharping J E,Fiorention M,K umar P et al2002Opt.Lett.271675[18]Hu M L,W ang Q Y,Chai L et al2004Las.Phys.Lett.1299[19]Akim ov D A,Serebryannikov E E,Zheltikov A M et al2003Opt.Lett.281948[20]Vanholsbeeck F,Em plit P,C oen S et al2003Opt.Lett.281960[21]E fim ov A,T aylor A J,Omenetto F G et al2003Opt.Exp.112567[22]M arcuse D1991Theory o f Dielectric Optical Waveguide(Academic,Boston,M ass)[23]Omenetto F G,E fim ov A,T aylor A J et al2003Opt.Exp.11614144物 理 学 报54卷[24]Nikolov N I ,Srensen T ,Bang O et al 2003JOSA B 202329[25]Sun J H ,Zhang R B ,Hu Y F et al 2002Acta Phys .Sin .511272(in Chinese )[孙敬华、章若冰、胡有方等2002物理学报511272]Mode -controlled four -wave -mixing in the birefringentmicro structure fiber by femto second la ser pulse s 3Hu M ing -Lie W ang Qing -Y ue Li Y an-Feng W ang Zhuan Chai Lu Zhang W ei-Li(Ultra fast Laser Laboratory ,College o f Precision Instruments and Optoelectronics Engineering ,Tianjin Univer sity ,Tianjin 300072,China )(K ey Laboratory o f Optoelectronic In formation Technical Science (Tianjin Univer sity ),Ministry o f Education ,Tianjin 300072,China )(Received 15July 2004;revised manuscript received 31December 2004)AbstractBirefringent m icrostructure fibers are shown to allow efficient gereration of anti-S tokes line em ission as a result of four-wave-m ixing in higher m ode by using unam plified fem tosecond T i :sapphire laser pulses.Intense blue-shifted lines with different central wavelength were generated in the high-delta (i.e.high-air filling in the cladding )m icrostructure fiber with axis sizes 510and 416μm by fem tosecond laser pulses with 35-fs in duration ,820nm in central wavelength and 4n J in energy per pulse.Theexperimental result shows that phase-matched four-wave m ixing in higher-order m odes of m icrostructure fibers allows unprecedentedly high efficiencies of anti-S tokes frequency conversion to be achieved for subnanojoule fem tosecond laser pulses.The dependence factor of the four waves m ixing in birefringent m icrostructure fiber is com pared and analyzed.G ood agreement between the theory and experiment is achieved.K eyw ords :m icrostructure fiber ,fem tosecond laser ,four-wave-m ixing PACC :7820F ,4270Q ,7155J ,3320K3Project supported by the National K ey Basic Research S pecial F oundation (NK BRSF )(G rant N os.G 1999075201,2003C B314904),the National Natural Science F oundation of China (G rant N o.60278003),and the National H igh T echnology Development Programme of China (G rant N o.2003AA311010).51449期胡明列等:飞秒激光在双折射微结构光纤中模式控制的四波混频效应的实验研究。
中国空空导弹研究院集成光波导陀螺在空空导弹的应用展望
中国空空导弹研究院集成光波导陀螺在空空导弹的应用展望摘要：陀螺技术是现代空空导弹惯性导航系统研制的关键。
本文简要介绍了集成光波导陀螺的原理，并对国内外发展现状进行概述。
根据空空导弹惯性导航系统的特点，展望了集成光波导陀螺在未来空空导弹中的应用前景。
关键词：空空导弹；惯性导航…第３Ｏ卷第９期２０１５年９月宿州学院学报ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｕｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＶＯ１．３Ｏ，ＮＯ．９Ｓｅｐ．２０１５ｄｏｉ：１０…英语中元音字母的重要性要根据元音字母的读音进行归纳。
Are you ready？张：Yes，of course．我先归纳含有a 的各种读音的词。
1．开音节中a读／ei／，这类词可多啦：baby，date，famous，favorite，lady，…摘要：陀螺技术是现代空空导弹惯性导航系统研制的关键。
本文简要介绍了集成光波导陀螺的原理，并对国内外发展现状进行概述。
根据空空导弹惯性导航系统的特点，展望了集成光波导陀螺在未来空空导弹中的应用前景。
关键词：空空导弹；惯性导航系统；集成光波导陀螺；光波导谐振腔中图分类号：TJ765；TN25文献标识码：A文章编号：1673-5048（2016）01-0045-05Abstract：Gyroscope technology is the key to the development of inertial navigation system for airtoair missile. The theory and development of integrated optical waveguide gyroscope are introduced briefly. According to the characteristics of inertial navigation system in airtoair missile，the application prospect of integrated optical waveguide gyroscope is presented.Key words：airtoair missile；inertial navigation system；integrated optical waveguide gyroscope；optical waveguide resonator0引言空空导弹作为现代空战的主战武器，其性能水平的高低成为空战胜负的重要因素。
光波导技术
分离变量
• 电矢量与磁矢量分离: 可得到只与电场强 度E(x,y,z,t)有关的方程式及只与磁场强 度H(x,y,z,t)有关的方程式； • 时、空坐标分离: 亥姆霍兹方程，是关于 E(x,y,z)和H(x,y,z)的方程式； • 空间坐标纵、横分离：波导场方程，是 关于E(x,y)和H(x,y)的方程式； • 边界条件：在两种介质交界面上电磁场 矢量的E(x,y)和H(x,y)切向分量要连续。
光子集成 光电子集成 集成光路 光收发模块 光接入模块 光开关模块 光放大模块
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课程内容
光波如何进入光波导？（模式的激励） 光波在光波导中如何传播？(模式分布) 光波导的基本特征参数及测试技术 光波导耦合技术 光波导有源与无源器件 光波导中的非线性效应 光波导传感技术 光波导集成技术
对称/非对称波导
• 对称波导：
芯区周围的介质折射率相同
• 非对称波导：
芯区周围的介质折射率不同
集成光学
• • • • • • • • 导波光学：研究波导的导波特性 集成光路: 功能元件集成 PIC: Photon Integrated Circuit OEIC: Optoelectronic Integrated Circuit MCVD: Modified chemical vapor deposit MOCVD: Metal Oxide chemical vapour deposit MBE: Molecular Beam Epitaxy LPE: Liquid Phase Epitaxy
倾斜光线：均匀折射率分布
• 光线轨迹： (螺旋折线) • 临界角： • 三类光线： –约束光： –折射光： –隧道光：
集成光学 集成光学、波导理论
(150007)),赵灿//制造技术与机床.―2007,(2).―7175介绍了目前基于三维光栅扫描测量标定技术的国内外发展状况,提出自由置位固定编码多目标跟踪提取连续图像轮廓的全自动标定技术,给出了此技术的具体算法实现。
利用提出的全自动标定技术,得出了相应的实验结果,并将该实验结果与利用通用的M AR R 算法得到的结果对标定精度进行了比较、分析。
结果表明,所提出的全自动标定技术使操作更加便捷,能很好地保证标定图像轮廓边缘的定位精度,使整个系统的标定精度保持在0.005~0.02mm 范围内。
图6表2参11(于晓光)TP3912007043503点阵式测头成像视觉三坐标测量系统建模=M odeling vi sion 3D coordinate measur ing system with a special probe[刊,中]/张雪飞(天津大学精密测试技术与仪器国家重点实验室.天津(300072)),彭凯//制造技术与机床.―2007,(3).―103105在透视投影和坐标变换的基础上,建立测头成像视觉三坐标测量系统的数学模型。
求解了共线、共面和空间三种点阵式测头构成的系统模型,以最简单的共线3点型点阵测头为例建立实测视觉坐标测量系统,实验结果证明了系统模型的正确性。
图4参3(于晓光)TP391TB922007043504基于机器视觉的二维小尺寸精密测量系统=Two dimensional pr ecision measurement systems based on machine vi sion[刊,中]/罗钧(重庆大学光电技术及系统国家教育部重点实验室.重庆(400030)),黄俊//计算机测量与控制.―2007,15(1).―1113设计了一种对万能工具显微镜进行改造而成的二维精密测量系统。
该系统引入了机器视觉技术进行自动测量对准,采用光栅传感器提供坐标系以检测尺寸,测量系统测量范围为25mm !25mm,测量精度可达5m 。
光纤光学刘德明光纤光学
Internet backbone
E1
1985
1990
2019
2000
Year
刘德明：光纤光学
8
光电子科学与工程学院
武汉-中国光谷
光纤通信技术产业 激光技术产业 光纤传感技术产业 光存储技术产业 照明与显示技术产业 IC技术产业
刘德明：光纤光学
9
光电子科学与工程学院
“光通信的第二个春天”
刘德明：光纤光学
12
光电子科学与工程学院
光纤技术的应用领域
光纤技术
信息获取
信息传输
信息处理
其它应用
位移、振动 温度、压力 应变、应力 电流、电压 电场、磁场 流量、浓度 可以测量70 多 个物理化学量
有源无源器件 光纤通信干线 光交换接入网
AON DWDM OADM OTDM FTTC,B,O,H
刘德明：光纤光学
20
光电子科学与工程学院
光纤预制棒工艺：PCVD
(Plasma-Activated Vapore Deposition)
PCVD 与MCVD 的工艺相似之处是，它们都是 在高纯石英玻璃管管内进行气相沉积和高温氧 化反应。所不同之处是热源和反应机理， PCVD工艺用的热源是微波，其反应机理为微 波加热产生等离子使气体电离。离子重新结合 时释放出的热能熔化反应物形成透明的石英玻 璃沉积薄层。 PCVD方法可以更为准确地控制光纤的折射率 分布。而且沉积效率高, 沉积速度快, 有利于消 除SiO 2 层沉积过程中的微观不均匀性, 从而 大大降低光纤中散射造成的本征损耗, 适合制 备复杂折射率剖面的光纤。
在其内部或其表面附近沿其轴线方向向前传播
光波导：约束光波传输的媒介 导波光：受到约束的光波 光波导三要素： –“芯 / 包”结构 –凸形折射率分布，n1>n2 –低传输损耗
1-6 弱导近似
[∇
和
2 t
2 t
2 2 2 + k0 n − β2 R E tR = −∇ t E tR • ∇ t ln n
2 2 + k0 n − β2 w E tw = 0
]
[
]
(1-6-5) (1-6-6)
[∇
]
将 E tR • (1 − 6 − 6 ) − E tw • (1 − 6 − 5) 对整个横截面积分，得到
当介电常数由 ε(x , y ) 变为 ε(x , y ) + δε(x , y ) 时，场解 F(x，y)及传播常数β均相应变至
F( x , y) + δF(x , y ) 及 β + δβ 。下面将证明：在一阶近似 条件下, δβ正比于δε, 而与δF 无关。 ．．．．
对于扰动后的场，式（1-6-3）可写为
]
(1-6-3)
其中 F 可以代表 Ex、Ey、Hx 或 Hy。式（1-6-3）的特点在于， ∇ t 不一定要在直角坐标系中展 开，而是视 n (ξ, η) 而定。例如，对于圆截面光纤，n=n(r)， ∇ t 就在圆柱坐标系中展开为
2
①
由§1-1 的折射率定则可知, ∆
≤ 1 的光波导,导光能力很弱,故得名.
ˆ 或只有 E y y ˆ ，而与折射率的横向分布规律无关 ˆ 、 Hxx ˆ 、 Hv y 总可以 使 Et 和 Ht 只有 E x x 。 ．．
换言之， 矢量波动方程式（1-3-13）将化为标量波动方程（忽略 ∇ t ln n 项）
2
[∇
2 t
2 2 + k0 n (ξ, η) − β 2 F(ξ, η) = 0 2
(1-7-1) (1-7-2)