光波导技术 第一章
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3
光纤的发展
1966年，高锟和霍克哈姆发表的《用于光频的光纤表面波导》奠定 了现代光通信的基础。高锟被尊为光纤之父。
1970年，美国康宁公司制出对0.6328m波长的损耗为20dB/km的 石英光纤，从此介质波导在光纤通信、传感等领域得到了广泛的应 用。
之后爆炸性发展，从光纤损耗看
1970年，20dB/km 1972年，4dB/km 1974年，1.1dB/km 1976年，0.5dB/km 1979年，0.2dB/km
1990年，0.14dB/km
短短几十年之内，全世界铺设的光纤总长度已超过 10亿公里，足以绕地球赤道2.5万次
接近石英光纤的理论损耗 ~0.1 dB/km
4
平面光波导型器件
1969, S. E. Miller 提出了集成光学(Integrated Optics)的概念, 核心：平面光波导
5
平面光波导型器件
11
渐变折射率波导
• 渐变折射率光波导 Ti扩散LiNbO3波导，K+离子交换玻璃波导
LiNbO3:Ti
LiNbO3
12
渐变折射率波导
首先在铌酸锂基体上用蒸发沉积或溅射沉积的方法镀上钛膜，然后进行光刻， 形成所需要的光波导图形，再进行扩散。可以采用外扩散、内扩散、质子交换 和离子注入等方法来实现。
13
第一章 平面介质光波导
• 平面介质光波导概述 • 平板光波导的分析方法
射线光学法 波动方程法 • 条形光波导的分析方法 马卡梯里法 等效折射率法 数值方法
14
基本的光学定律和定义
光速 c = 3 108 m/s 波长： = c/v 当光在媒介中传播时，速度cn = c/n 常见物质的折射率：空气 1.00027；
8
光波导中用到的材料
光波导所用的材料： ▪ 具有一定的折射率，一般比衬底折射率高 ▪ 传输损耗满足一定条件 ▪ 应具有多种功能，工艺上便于成膜和器件制
作与集成 ▪ 在外界各种环境下具有长期稳定工作的性能
9
光波导材料
材料
典型波导结构
铌酸锂
Ti+… LiNbO3
Ge:SiO2 二氧化硅
SiO2 Si 基底
第一章 平面介质光波导
• 平面介质光波导概述 • 平板光波导的分析方法
射线光学法 波动方程法 • 条形光波导的分析方法 马卡梯里法 等效折射率法 数值方法
1
平面介质光波导的发展历史：光纤的雏形
1870年，英国物理学家丁达尔演示太阳光随着水流发生弯曲； n水 > n空气，光发生全反射；
1955年，英国伦敦学院卡帕尼博士将此用于实际，发明了玻 璃光导纤维：芯层+包层 (n芯层>n包层) –光纤
水 1.33； 玻璃 (SiO2) 1.47； 钻石 2.42； 硅 3.5 折射率大的媒介称为光密媒介，反之称为光疏媒介 光在不同的介质中传输速度不同
15
光波在各向同性介质中的传播
单色平面波的复数表达式
单色平面波是指电场强度E和磁场强度H都以单一 频率随时间作正弦变化（简谐振动）而传播的波。
在任意方向上传播的平面电磁波的复数表达式为：
的制作，但损耗较大
采用旋涂,刻蚀等工艺，成 本较低，电光，热光效应 较高，稳定性较差，易老化
10
Core--SiO2:Ge Si substrate
光波导折射率分布
• 折射率突变型（阶跃型） SiO2，SOI， InP， Polymer
n=1.47
SiO2:Ge
SiO2 n=1.46
Si substrate
E(r ,t) E0 exp{i[(k • r t) 0 ]}
式中，Φ0为初相位， k 为矢量(简称波矢)， k 的方向即表示 波的传播方向，k 的大小，表示波在介质中的波数。上式中，指数 前取正或负是无关紧要的，按我们的表示法，指数上的正相位代 表相位落后，负相位代表相位超前。矢径r 表示空间各点的位置， 如图所示。
6
光波的传输
在波导的包层中仍然存在光波的传输（倏逝波），但由于波导的限制作用， 光束不会像在自由空间中那样发散
7
光纤的折射率分布
50/125μm 62.5/125μm
单模光纤(Single-mode Fiber)：一般光纤跳纤用黄色表示，接头和保护套为蓝色；传输距离较长。 多模光纤(Multi-mode Fiber)：一般光纤跳纤用橙色表示，也有的用灰色表示，接头和保护套用米色或者黑色；传 输距离较短。
n(x, y) n0 n g(x) f ( y)
1 w/ 2 x w/ 2 x
其中
g(x)
2
erf
hx
erf
hx
f ( y) exp(y2 / hy2 )
• 其中n0为基片折射率，Δn为扩散引起的最大折射率变化，w为扩散源 的横向宽度，hx、hy分别为横向、高度方向的扩散深度
硅 磷化铟
Si 波导 SiO2
Si 基底 InP
InGaAsP
InP
聚合物
聚合物 基底
主要特点
采用质子交换，金属扩散 等工艺，电光系数，非线
性效应高，但损耗较大
采用 PECVD,干法刻蚀等 工艺制作，损耗小，但只
能制作无源器件
高折射率对比，高集成度 与集成电路兼容，但不适
合制作发光器件
直接带隙，适合于发光器 件，高速调制器，光开光，
2
光纤的发展
“Father of Fiber Optic Communications” Charles Kuen Kao 高锟
2009 Nobel Prize winner “for groundbreaking achievements concerning the transmission of light in fibers for optical communication” K. C. Kao, G. A. Hockham (1966), "Dielectric-fibre surface waveguides for optical frequencies”, Proc. IEEE 113 (7): 1151–1158.
16
沿空间任意方向传播的平面波
在均匀介质中光沿直线传播。
（在非均匀介质中，光线向折射率大的方向弯曲）
x
p(x,y,z)
k
r a
γ
z
β
y
17
单色平面波
波峰
E0
E0
E0
k
-E0
-E0
E0
E0
E0
k
-E0
-E0
波谷
Leabharlann Baidu
2 2 n
k
0
k0n
18
单色平面波的复数表达式
E(r ,t) E0 exp{i[k • r t) 0 ]}
光纤的发展
1966年，高锟和霍克哈姆发表的《用于光频的光纤表面波导》奠定 了现代光通信的基础。高锟被尊为光纤之父。
1970年，美国康宁公司制出对0.6328m波长的损耗为20dB/km的 石英光纤，从此介质波导在光纤通信、传感等领域得到了广泛的应 用。
之后爆炸性发展，从光纤损耗看
1970年，20dB/km 1972年，4dB/km 1974年，1.1dB/km 1976年，0.5dB/km 1979年，0.2dB/km
1990年，0.14dB/km
短短几十年之内，全世界铺设的光纤总长度已超过 10亿公里，足以绕地球赤道2.5万次
接近石英光纤的理论损耗 ~0.1 dB/km
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平面光波导型器件
1969, S. E. Miller 提出了集成光学(Integrated Optics)的概念, 核心：平面光波导
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平面光波导型器件
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渐变折射率波导
• 渐变折射率光波导 Ti扩散LiNbO3波导，K+离子交换玻璃波导
LiNbO3:Ti
LiNbO3
12
渐变折射率波导
首先在铌酸锂基体上用蒸发沉积或溅射沉积的方法镀上钛膜，然后进行光刻， 形成所需要的光波导图形，再进行扩散。可以采用外扩散、内扩散、质子交换 和离子注入等方法来实现。
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第一章 平面介质光波导
• 平面介质光波导概述 • 平板光波导的分析方法
射线光学法 波动方程法 • 条形光波导的分析方法 马卡梯里法 等效折射率法 数值方法
14
基本的光学定律和定义
光速 c = 3 108 m/s 波长： = c/v 当光在媒介中传播时，速度cn = c/n 常见物质的折射率：空气 1.00027；
8
光波导中用到的材料
光波导所用的材料： ▪ 具有一定的折射率，一般比衬底折射率高 ▪ 传输损耗满足一定条件 ▪ 应具有多种功能，工艺上便于成膜和器件制
作与集成 ▪ 在外界各种环境下具有长期稳定工作的性能
9
光波导材料
材料
典型波导结构
铌酸锂
Ti+… LiNbO3
Ge:SiO2 二氧化硅
SiO2 Si 基底
第一章 平面介质光波导
• 平面介质光波导概述 • 平板光波导的分析方法
射线光学法 波动方程法 • 条形光波导的分析方法 马卡梯里法 等效折射率法 数值方法
1
平面介质光波导的发展历史：光纤的雏形
1870年，英国物理学家丁达尔演示太阳光随着水流发生弯曲； n水 > n空气，光发生全反射；
1955年，英国伦敦学院卡帕尼博士将此用于实际，发明了玻 璃光导纤维：芯层+包层 (n芯层>n包层) –光纤
水 1.33； 玻璃 (SiO2) 1.47； 钻石 2.42； 硅 3.5 折射率大的媒介称为光密媒介，反之称为光疏媒介 光在不同的介质中传输速度不同
15
光波在各向同性介质中的传播
单色平面波的复数表达式
单色平面波是指电场强度E和磁场强度H都以单一 频率随时间作正弦变化（简谐振动）而传播的波。
在任意方向上传播的平面电磁波的复数表达式为：
的制作，但损耗较大
采用旋涂,刻蚀等工艺，成 本较低，电光，热光效应 较高，稳定性较差，易老化
10
Core--SiO2:Ge Si substrate
光波导折射率分布
• 折射率突变型（阶跃型） SiO2，SOI， InP， Polymer
n=1.47
SiO2:Ge
SiO2 n=1.46
Si substrate
E(r ,t) E0 exp{i[(k • r t) 0 ]}
式中，Φ0为初相位， k 为矢量(简称波矢)， k 的方向即表示 波的传播方向，k 的大小，表示波在介质中的波数。上式中，指数 前取正或负是无关紧要的，按我们的表示法，指数上的正相位代 表相位落后，负相位代表相位超前。矢径r 表示空间各点的位置， 如图所示。
6
光波的传输
在波导的包层中仍然存在光波的传输（倏逝波），但由于波导的限制作用， 光束不会像在自由空间中那样发散
7
光纤的折射率分布
50/125μm 62.5/125μm
单模光纤(Single-mode Fiber)：一般光纤跳纤用黄色表示，接头和保护套为蓝色；传输距离较长。 多模光纤(Multi-mode Fiber)：一般光纤跳纤用橙色表示，也有的用灰色表示，接头和保护套用米色或者黑色；传 输距离较短。
n(x, y) n0 n g(x) f ( y)
1 w/ 2 x w/ 2 x
其中
g(x)
2
erf
hx
erf
hx
f ( y) exp(y2 / hy2 )
• 其中n0为基片折射率，Δn为扩散引起的最大折射率变化，w为扩散源 的横向宽度，hx、hy分别为横向、高度方向的扩散深度
硅 磷化铟
Si 波导 SiO2
Si 基底 InP
InGaAsP
InP
聚合物
聚合物 基底
主要特点
采用质子交换，金属扩散 等工艺，电光系数，非线
性效应高，但损耗较大
采用 PECVD,干法刻蚀等 工艺制作，损耗小，但只
能制作无源器件
高折射率对比，高集成度 与集成电路兼容，但不适
合制作发光器件
直接带隙，适合于发光器 件，高速调制器，光开光，
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光纤的发展
“Father of Fiber Optic Communications” Charles Kuen Kao 高锟
2009 Nobel Prize winner “for groundbreaking achievements concerning the transmission of light in fibers for optical communication” K. C. Kao, G. A. Hockham (1966), "Dielectric-fibre surface waveguides for optical frequencies”, Proc. IEEE 113 (7): 1151–1158.
16
沿空间任意方向传播的平面波
在均匀介质中光沿直线传播。
（在非均匀介质中，光线向折射率大的方向弯曲）
x
p(x,y,z)
k
r a
γ
z
β
y
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单色平面波
波峰
E0
E0
E0
k
-E0
-E0
E0
E0
E0
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-E0
-E0
波谷
Leabharlann Baidu
2 2 n
k
0
k0n
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单色平面波的复数表达式
E(r ,t) E0 exp{i[k • r t) 0 ]}