光波导技术基础共77页
光波导技术基础教材
Ec-0.04eV Ec-0.20eV
EC
Au3 Au2
Ev+0.15eV Ev+0.05eV
Ge中的Au杂质能级
Au Au
EV
5
⑵NAu＜NAs＜2NAu，砷能级上的电子填满金的第一 受主能级后并开始部分填充金的第二受主能级。 升温时，第二受主能级上的电子激发到导带的能 量比价带电子激发到第二受主能级的能量小。 热激发会使第二受主能级中部分填充的电子激发 到导带中去，材料呈现N型。 ⑷NAs＞3NAu，所有金的三个受主能级都填充了电 子，剩余的砷浅施主能级上的电子被激发到导带中 去，材料亦呈现N型。
) 分凝
（1
K）CL
沾污、蒸发、分凝同时存在时
(1
x)(
dCL dx
)
(1
x)(
dCL dx
)沾污
（1
x）( dCL dx
）蒸发
(1
x)(
dCL dx
)分凝
（1 KBiblioteka EA fAS）CL
RA（C x） fAS
求出CL，利用CS=KCL，可得杂质沿晶体的分布。
31
二、实际生产中的近似计算
真空下拉制N型中、高阻硅单晶掺杂的估算法：
As
L x
V(x)=LAS(1-x)
L: 最后拉出的单晶长度；x：已拉出单晶长占单晶长度L 的分数。
26
第一阶段, 坩埚沾污引起熔体中杂质变化
( dCL dt
)沾污
RAc V
x=0, V=LAS，Ac改用Ac0，上式改写成
( dCL dt
)沾污
RA
0 c
LAs
杂质蒸发引起熔体中杂质变化为
《光波导理论与技术》课件
塑料光波导
塑料光波导具有柔韧性好、制备工 艺简单等优点，在消费电子、汽车 和医疗等领域有广泛应用前景。
玻璃光波导
玻璃光波导具有高透过率、低损耗 等优点，在高端光学仪器和特种应 用领域有重要应用。
光波导技术发展趋势
低损耗、高性能
随着光通信和光计算技术的发展，对光波导的性能要求越来越高 ，低损耗、高性能成为光波导技术的重要发展方向。
光波导的传输模式
要点一
总结词
光波导的传输模式是指光波在光波导中传播时的场分布形 态，不同的模式具有不同的能量分布和传输特性。传输模 式的研究对于光波导器件的性能优化和设计具有重要意义 。
要点二
详细描述
在光波导中，由于光波的传播受到边界条件的限制，其场 分布形态呈现出不同的模式。这些模式决定了光波的能量 分布、传输方向和相位等特性。通过对传输模式的研究， 可以深入了解光波在光波导中的传播行为，为设计高性能 的光波导器件提供重要的理论依据。在实际应用中，根据 需要选择合适的传输模式是实现高效、稳定的光信号传输 的关键。
02
光波导器件
光波导调制器
01 调制器原理
光波导调制器利用电场对光波的相位或振幅进行 调制，实现光信号的开关、调制等功能。
02 调制速度
光波导调制器的调制速度非常快，可达到几十吉 赫兹甚至更高。
03 调制方式
光波导调制器可以采用电吸收、电光效应、热光 效应等多种方式进行调制。
光波导放大器
01 放大原理
THANKS
感谢观看
集成化、小型化
随着微纳加工技术的发展，光波导的集成化和小型化成为可能，这 将有助于提高光波导的集成度和降低成本。
多功能化
光波导的应用领域不断拓展，需要实现更多的功能，如波长选择、 模式控制等，多功能化成为光波导技术的重要发展趋势。
光波导理论与技术讲义
光波导理论与技术讲义
尽管存在一些问题，但在低成本、快速 组网等方面具有较大优势的FSO的市场前 景非常广阔。在未来几年里，它将作为 一个主要的手段进入本地宽带接入市场， 特别是没有光纤连接的中小企业。据预 测，一两年内，FSO市场会形成一定规模， 到2005年可达到20亿美元。
光波导理论与技术讲义
光与
光通信的发展进程
*三千多年前，我国的周朝就有利用烽火台传递 信息的通信；
*1880年，贝尔发明光电话； *1960年，人类研制成功第一台激光器； *1970年，低损耗光纤由美国康宁公司研制成
功；
从此，进入了光纤通信迅猛发展的时代。
光波导理论与技术讲义
四个发展阶段
第一代：0.85μm的多模光纤(1976年，亚特 兰大 44.7 Mb/s);
光波导理论与技术讲义
空间光通信技术 (FSO)
光波导理论与技术讲义
*光纤通信与无线通信是当前的热门技术。
*一种新型宽带接入技术——自由空间光 通信系统（FSO：Free Space Optical communication system），是二者结合 的产物。
*FSO不是用光纤作为传输媒介,是在空气 中用激光或光脉冲在THz光谱范围内传送 分组数据的通信系统。
• 850纳米的设备相对便宜，一般应用在传输距 离不太远的场合。
光波导理论与技术讲义
安全保密性强。FSO的波束很窄，定向性非常 好，并且用户到集线器之间的链路通常是加 密的，安全保密性较强。
光波导理论与技术讲义
协议透明。FSO以光为传输媒介，任何传输协 议均可容易地叠加上去，对语音、数据、图 像等业务可以做到透明传送。
光波导的理论以及制备方法介绍
光波导的理论以及制备方法介绍光波导是一种通过光信号的传导来实现信息交互的技术。
它是利用光在介质中的传播特性来实现光的传输和调控的一种器件。
光波导已经成为现代通信、光电子技术和光器件研究领域中不可或缺的一部分。
光波导的理论基础是基于光在介质中的传播原理。
当光束通过介质分界面时，会产生折射现象。
这种折射现象可以用斯涅尔定律来描述，即入射角与折射角之间的正弦比等于两种介质的折射率之比。
光波导利用不同折射率的介质之间的折射现象，将光束从一种介质中导入到具有更高折射率的介质中，并通过光束的反射、折射和散射等效应，使光能够在介质中传播和传输。
制备光波导的方法有多种，包括经典的物理刻蚀法、化学沉积法、水热法等，以及现代的微电子加工技术和激光加工技术等。
下面将介绍几种常见的制备方法：1.光刻法：光刻法是一种常见的光波导制备方法。
它利用光刻胶的光敏性，通过光学曝光和显影，将需要刻蚀的部分暴露出来，然后使用物理或化学刻蚀方法将暴露的部分去除，从而形成光波导的结构。
2.离子注入法：离子注入法是一种通过离子注入技术来改变材料的折射率分布，从而形成光波导结构的方法。
它通过在材料表面注入高能离子，改变材料的折射率，并形成光波导结构。
3.RF磁控溅射法：RF磁控溅射法是一种通过溅射技术制备光波导的方法。
它利用高频电场对目标材料进行离子化，然后通过磁场聚焦离子束，使其瞄准到底片上，从而形成光波导结构。
4.激光加工法：激光加工法是一种利用激光器对材料进行加工的方法。
它通过调节激光的功率、扫描速度和扫描路径等参数，实现对光波导结构的制备。
激光加工法不仅可以实现直写制备光波导，还可以实现二光子聚焦制备光波导。
除了上述方法外，还有其他一些新型的制备光波导的方法，例如自组装法、溶胶-凝胶法、光聚合法等。
这些方法在光波导的制备中发挥着重要的作用，并为光波导的研究和应用提供了更多的可能性。
总之，光波导是一种基于光的传导原理来实现光信号传输和调控的技术。
导波光学基础
一、光纤的结构和类型
1、光纤的结构（如图15－1所示）
1
2、光纤的种类：
阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤：按光纤 横截面折射率分布划分。
单膜光纤和多膜光纤：按光传输模式划分。 特种光纤：
2
二、光纤Байду номын сангаас结构参数
1、光纤尺寸 2、数值孔径NA 3、相对折射率差
＝ n1 n2 n1
4、归一化频率（或结构参量） 5、折射率分布
3
三、光纤的传播损耗和色散
1、光纤的损耗
2、光纤的色散
4
第二节 光在平板光波导中的传播
图15－5 光在平板型光波导中的传播
一、平板光波导的射线理论 二、平板光波导中的场分布 三、耦合膜理论
5
第三节 导波光学的应用
一、光导纤维的应用
1、光纤通信
图15－10 光纤通信系统框图
6
二、光纤传感技术
1、种类 2、实例
图15－11 光纤温度传感器
7
三、导波光学的典型器件和应用
1、双通道电光调制器及光开关
图15－12 双通道电光调制器
8
2、马赫－泽德型干涉调制器
图15－13 马赫－泽德型干涉调制器
9
3光波导基础
相位
φ = ωt − kz + ϕ
dz ω v= = dt k
dt时间内，波移动了dz,该波的相速度为dz/dt
球面波
v k
波动方程
A E = cos(ωt − kr + ϕ ) r
许多光束，例如激光器的输出，假定可用高斯光束来描述
r 该光束的传输特性仍可 用exp[j(ωt-kz)]描述，但 是它的幅度不但以光束 轴线为中心在空间变 2w0 化，而且从源头开始向 外辐射时也在变化。
λ
n1 2 ( ) sin 2 θ i − 1 n2
Et ,⊥ ( y, z, t ) = e
−α 2 y
exp[ j (ωt − kiz z )]
当 y = 1/α2 ≡ δ时，消逝波的幅度变为 e-1，δ称为穿透深度 2、反射率和透射率 反射率
R⊥ = Er 0,⊥ Ei 0,⊥
2 2 2 2
波动方程为：
v v Ei = Ei 0 exp[ j (ωt − ki ⋅ r )] v v Et = Et 0 exp[ j (ωt − kt ⋅ r )]
v v Er = Er 0 exp[ j (ωt − k r ⋅ r )]
v r 为位置矢量, Ei 0等为幅度
利用电磁波的边界条件有
令 n = n 2 / n1 电场的反射系数 折射系数 磁场的反射系数
第三章 光波导基础
§ 3.1 光波基础 § 3.2 光波导基础 § 3.3 光纤衰减 § 3.4 光纤色散 § 3.5 比特率和带宽
§ 3.1光波基础 § 3.1.1均匀介质中的光波 Ex 平面电磁波 z Hy 波动方程 波印廷矢量 （能流密度矢量）
v k
光波导理论与技术讲义
04
光波导的应用
光纤通信
光纤通信概述
光纤通信是一种利用光波在光纤中传输信息的技术。由于光纤具有低损耗、高带宽和抗电 磁干扰等优点，因此光纤通信已成为现代通信的主要手段之一。
光纤通信系统
光纤通信系统主要由光源、光纤、光检测器和传输控制设备等组成。其中，光源用于产生 光信号，光纤作为传输介质，光检测器用于接收光信号，传输控制设备负责对整个系统进 行管理和控制。
03
光波导材料
玻璃光波导
玻璃光波导是一种以玻璃为介质的光 波导器件，其具有优秀的光学性能和 机械性能，被广泛应用于光纤通信、 光传感等领域。
玻璃光波导的主要优点是光学性能优 异、机械强度高、化学稳定性好等， 但其缺点是制备工艺复杂、成本较高。
玻璃光波导的制备工艺主要包括预制 棒制作、拉丝、涂覆等环节，这些工 艺过程需要精确控制，以保证光波导 的性能和稳定性。
聚合物光波导
1
聚合物光波导是一种以聚合物为介质的光波导器 件，其具有制备工艺简单、成本低、易于加工等 特点。
2
聚合物光波导的制备工艺主要包括薄膜制作、光 刻、刻蚀等环节，这些工艺过程相对简单，有利 于大规模生产。
3
聚合物光波导的主要优点是制备工艺简单、成本 低、易于加工等，但其缺点是光学性能较差、机 械强度较低。
A
B
C
D
模块化与小型化
为了适应现代通信系统的需求，光波导放 大器正朝着模块化和小型化方向发展。
增益均衡
由于不同波长的光信号在光纤中的传输损 耗不同，因此需要实现光波导放大器的增 益均衡，以保证信号的传输质量。
光波导开关
开关原理
光波导开关利用电场或热场对光 波的传播方向进行控制，实现光
光波导技术——精选推荐
光波导技术基础第一部分光波导的几何光学分析第二部分光波导的波动光学分析第三部分光纤的介绍―导光‖的古老历史―光纤之父‖----高锟博士光波导技术的迅猛发展光波导的基本概念光波导的主要种类光波导的一般理论光波导的进一步分类模式的概念广阔的应用领域―导光‖的古老历史1854年英国的廷达尔Tyndall就观察到光在水与空气分界面上作全反射以致光随水流而弯曲的现象1929-1930年美国的哈纳尔Hanael和德国的拉姆Lamm先后拉制出石英光纤并用于光线和图象的短距离传输中国古代烽火台―光纤之父‖----高锟博士1966年高锟博士发表他的著名论文―光频介质纤维表面波导‖首次明确提出通过改进制备工艺减少原材料杂质可使石英光纤的损耗大大下降并有可能拉制出损耗低于20dB/km的光纤从而使光纤可用于通信之中。
光波导技术的迅猛发展1970年康宁玻璃公司率先研制成功损耗为20dB/km的石英光纤取得了重要的技术突破经过近30年的发展光纤的损耗已经降至0.2dB/km单模光纤各种光波导器件在光纤系统中获得广泛应用相关的应用产业日新月异地蓬勃发展。
光波导的基本概念??导波光受到约束的光波??光波导约束光波传输的媒介??介质光波导三要素1 ―芯/ 包‖结构2 凸形折射率分布n1n23 低传输损耗光波导的主要种类??薄膜波导平板波导??矩形波导条形波导??圆柱波导光纤n1n2n3脊型波导沟道波导平面掩埋沟道波导纤芯包层涂覆层护套层??强度元件内护层光纤??缆芯外护层单模810um多模50um125um光波导的一般理论022k通过麦克斯韦方程组经过一系列合理的简化可以得出描述光波导满足的标量Helmholtz方程在推导的过程中可以看到影响光波导传输特性的主要是折射率的空间分布。
其中代表和在直角坐标系中的各个分量。
EH光波导的进一步分类可根据折射率的空间分布将光波导分类为光波导正规光波导非正规光波导纵向均匀纵向非均匀横向分层均匀的光波导均匀光波导横向非均匀的光波导非均匀光波导缓变光波导迅变光波导突变光波导模式的概念yxnzyxn不同类型的光波导相应于求解不同类型的微分方程。
第4章 光波导技术基础 4
2010-7-8 28
13
2.LD与光纤的耦合
(1)直接耦合 (2)透镜耦合
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二,探测器与光纤的耦合
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三,光纤连接
光纤的连接与通常的电线连接有重要区别.
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1,两根相同光纤连接时的损耗
所产生的连接损耗有对准损耗和反射损耗.图747示出两 根光纤的失准状态,有端面分离,轴错位和轴角倾斜.
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4.5 光纤应用
光纤通讯 测量 传输图像
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一,光纤的非通讯应用 1.照明:即把光源发出的光传输到一个或多 个其它地方用于照明. (1)汽车仪表盘指示照明. (2)汽车刹车传感器. (3)为处于不方便之处的物体提供照明. 2.盗窃报警系统. 3.图象传输:光纤束将用透镜成像在其入射 端面的像传输到另一处.内窥镜.
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放大电路
有许多种前端接收器放大电路设计,两种通用的 类型:低阻抗型和高阻抗型
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8.4和信息解码
对ASK模式调制信号,测量光的有无. PSK模式调制信号:利用干涉原理,与本地同频光 干涉,同相位产生亮点,不同相位产生暗点. FSK模式调制信号:利用干涉原理,与本地两种频 率光干涉,再比较;或只比较一种频率的光;或 利用滤光器选一种频率,有位1
光波导
传输特性
光纤的传输衰减很小，频带很宽。例如，在1.5微米波段衰减可小到0.2分贝/公里，频带宽达108/公里数量 级（多模光纤）或109赫/公里数量级（单模光纤），如此优良的性能是其他传输线难以达到的，因而光纤可用于 大容量信号的远距离传输。薄膜波导和带状波导传输特性及其分析与光纤类似。由于它们主要用来构成元件，对 传输衰减与频带要求并不严格。严格求解光波导中的电磁场的矢量解较为困难，故通常用标量近似法、射线法等 近似解法分析其传输特性，包括各个模式的场分布、色散以及模式之间的耦合等。
光波导的横向尺寸比光的波长大很多时，光的波动性所产生的衍射现象一般可略去不计，可用几何光学定律 来处理光在其中的传播问题。如集成光波导和阶跃折射率光纤中，都是利用入射角大于临界角使光在边界上发生 全反射，结果光便沿折线路径在其中传播。梯度折射率光纤中，则利用光逐渐往折射率大的方向弯曲的规律，使 光线沿曲线路径在其中传播。
平面材料
PLC光器件一般在六种材料上制作，它们是：铌酸锂（LiNbO3）、Ⅲ-Ⅴ族半导体化合物、二氧化硅（SiO2）、 SOI（Silicon-on-Insulator,绝缘体上硅）、聚合物（Polymer）和玻璃。
铌酸锂波导是通过在铌酸锂晶体上扩散Ti离子形成波导，波导结构为扩散型。InP波导以InP为称底和下包层， 以InGaAsP为芯层，以InP或者InP/空气为上包层，波导结构为掩埋脊形或者脊形。二氧化硅波导以硅片为衬底， 以不同掺杂的SiO2材料为芯层和包层，波导结构为掩埋矩形。SOI波导是在SOI基片上制作，称底、下包层、芯层 和上包层材料分别为Si、SiO2、Si和空气，波导结构为脊形。聚合物波导以硅片为称底，以不同掺杂浓度的 Polymer材料为芯层，波导结构为掩埋矩形。玻璃波导是通过在玻璃材料上扩散Ag离子形成波导，波导结构为扩 散型。
光波导理论与技术讲义(总结)
通过光纤传感器与生物分子的结合，实现对生物分子 浓度的检测。
环境监测
利用光纤传感器对环境中的气体、水质等进行实时监 测。
医疗领域
光学成像
光波导在医疗成像领域有广泛应用，如内窥镜、显微镜等。
激光治疗
利用光波导将激光能量传输到病变部位，进行无创手术。
光学诊断
利用光波导技术对生物组织进行光谱分析，辅助疾病诊断。
详细描述
光波导的核心原理是光的全反射。当光波在两种不同折射率的介质交界面上满足一定条 件时，光波将在交界面上发生全反射，即光波的全部能量都将被束缚在较高折射率的介 质中传播。通过控制光波的相位和振幅，可以实现光的定向传播、分束、调制等功能。
02 光波导技术
光波导制造技术
1 2
玻璃光波导制造技术
利用高温熔融玻璃的特性，通过控制温度和拉丝 速度，制造出不同规格的玻璃光波导丝。
02
利用光波导对外部物理量的敏感特性，开发出各种光传感器，
用于测量温度、压力、位移等物理量。
光信号处理
03
利用光波导的特殊传输特性，开发出各种光信号处理器件，用
于信号的调制、解调、滤波ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ处理。
03 光波导发展现状与趋势
光波导发展现状
01
02
03
传统光波导材料
石英玻璃、聚合物等传统 材料在光波导领域应用广 泛，技术成熟。
适用范围
光纤主要用于长距离通信， 而光波导常用于小型化、 集成化的光学系统中。
光波导与光子集成电路的比较
集成度
光子集成电路实现了更高程度的集成，包含了多 种功能器件。光波导通常只用于单一功能。
设计灵活性
光波导可以定制化设计，以实现特定的光学特性。 光子集成电路则更注重于系统的整体优化。
光波导技术1
研究生课程作业封面课程名称：光波导技术基础学生姓名：王斌学号：sc12038069 年级：2012级刚开始接触光波导，在前两节课中，通过老师的讲解对光波导的理论进行了简单的了解。
在课后的时间中，查阅相关的文献，对光波导领域中，波导激光器和集成光学的内容挺感兴趣。
查阅了几篇文献，通过读文献，对波导激光器和集成光学有了一点基本的了解。
这里，写一下感兴趣的综述，作为读文献的收获。
我的了解比较浅显，没能很深入，还需要进一步的进行学习和研究。
光波导技术及涉及到的波导激光器一些综述1.波导的基本介绍波导作为信号传播的通道和器件的连接装置，是集成光学的重要组成部分，大多数的集成光学元件都是以波导为基础的。
波导从结构上来讲，是一个被低折射率介质包围的高折射率区域，基于全反射原理光被限制在一个微米量级的传输区域内。
通过上了两次课，老师的讲解，对波导的基本的知识，也有了大概的了解和理解，还在学习中。
这里就不再进行介绍了，在课余时间对理论知识看了一些。
1.1 波导的结构和分类波导是一个高折射率的区域，它的四周的介质低于内部的折射率，以满足全反射的条件。
光通过在这种满足全反射条件的介质中传播，发生全反射以“z”字型来传播。
根据对光维数限制的情况，波导可以分类为一维波导和二维波导。
一维波导又称平面波导（如下图a所示），一维波导是由表面覆盖层、波导层、基质层三层折射率不同的介质层构成，满足全反射的折射率条件，覆盖层和衬底层的厚度比波导层的厚度要大的多，光线只受垂直方向（x）的限制。
二维波导是对腔内的光线进行x和z方向限制的波导。
根据波导四周的介质情况，又可以分类为脊型波导、埋层型波导和表面型波导（如上图b所示）。
其中，埋层型波导和表面型波导就是传统意义的条形波导。
有三个面与空气介质相接触，与基质材料相接触的有一个面，这种波导结构是脊型波导。
其中，不和空气介质相接触，只和基质介质接触的波导结构，是埋层型波导。
在基质材料之中制备波导，但是只有一个面与空气相接触的波导结构，是表面型波导。
光电子技术基础 第4章 光波导技术基础
第4章光波导技术基础为使激光器发出的光直接或间接地为人类服务，需要将光源发出的光调制后传送到接收器，这当中最重要的是要有一种衰减尽可能小而且尽可能不失真地传输光的光路。
对于光电子技术来讲，用于发光的光源和将光转换成电的探测元件作为光电子系统的“发”端与“收”端，是不可缺少的重要器件，而用于各器件间光传输的介质光波导也是极其重要的，它将光限制在一定路径中向前传播，减小了光的耗散，便于光的调制、耦合等，为光学系统的固体化、小型化、集成化打下了基础，是光电子学向集成光电子学发展的主要基础知识，也是光纤通信的重要基础知识。
传统光学中常用空气作传输介质，用透镜、棱镜、光栅等光学元件构成光路来实现光的焦、传输、转折等。
但在长距离传输中，大气中的水分和气体等的吸收、水滴和粉尘等烟雾的散射等都很大，各种光学元件又存在菲涅耳反射等耗散，因而没有实用价值。
也有人曾试验过气体透镜：将圆管中充满清洁的空气，四周加热，调整气体流速以保持层流，用气体温差构成气体透镜，使通过的光向中心汇聚，不致耗散，但实现起来相当困难。
最终人们发现介质光波导可以用来引导光按需要的路径传播，并且损耗可以做到很小，这正如电流被限制在线路布线、电线等中传输一样。
介质波导常用的有平面(薄膜)介质波导、条形介质波导和圆柱形介质波导。
当工作于光波波段时，这些介质波导常称为平面光波导、条形光波导与光纤。
光纤分为阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤。
阶跃折射率光纤的原理由英国的Tyndall 于1854年提出，英国的Baird与美国的Hansell于1927年申请石英光纤应用专利。
向玻璃光纤输入光最早于1930年前后由德国人完成。
l958年，美国的Kapany设计了细束光纤，同年美国光学公司为减少光纤包层杂散光引入第二吸收鞘；1961年美国的Snitzer研制了光纤激光器。
1963年，日本的西迟等人申请了渐变折射率光纤专利，l968年日本玻璃板公司研制出产品。
l970年，美国Corning公司研制出20dB／km的低损耗光纤，从此之后，各公司为实现光通信的商用化，开展了大量光学元器件和传输通路的研制。