光波导技术第一章

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光波导技术

光波导技术光波导技术摘要：光波导是引导光波在其中传播的介质装置，又称介质光波导。

光波导主要有集成光波导和圆柱形光波导两大类别，集成光波导通常都是光电集成器件或者光学系统中的一部分，所以叫作集成光波导；而圆柱形光波导实际上就是光纤，光纤对于外界的温度和压力等因素十分敏感，因而可制成光纤传感器，可以用于测量温度、压力等物理量。

关键词：光波导、集成光波导，光纤。

一.发展光波导技术的发展历程（1）导光的古老历史：早在1854年的英国注明学家丁达尔便观察到光随水流弯曲的现象，在其中是因为光在空气与水的分界面上发生全反射导致的。

（2）光纤之父高锟：高锟博士于1966年发表了“”光频介质纤维表面波导”这篇论文，并且在文中首次明确提出，可以通过改进石英光纤的制备工艺这种方式来减少所用原材料中的杂质，这样便可以让石英纤维的损耗大幅度下降。

并且有可能制造出损耗为20kbkm的光纤，从而让石英光纤应用于通信之中。

（3）在美国的康宁玻璃公司的马勒博士的研究小组在1970年成功研制出了损耗在20kbkm以下的光纤；近年来，随着光纤通信与光集成电路的快速发展，促进了光波导技术理论的进一步发展。

二.发展现状与趋势在现如今这个计算机技术与光纤通信技术迅速发展的时期，作为光纤通信所不可缺少的光波导材料与光波导器件也得到了快速的发展；（1）光开关：概要：光开关是一种具有一个或多个可选的传输端口并且可以对光纤传输线路中的光信号进行相互转换或逻辑操作的光学器件，是光网络和数字光处理的核心器件。

现状：随着光纤通信技术的发展，目前为止大多数的的通信业务都以转变为光纤传输。

而最近几年，网络业务行业呈现快速增长，网络业务的快速增长改变了IP网络层与底层传输网络的关系，并且对于整个网络来说，无疑是对其的组网方式、节点设计、管理和控制提出了更高的要求。

因此自动交换网络成为了系统研究的热点，它是一种智能化网络体系，它的核心节点由光交叉连接设备构成,通过光交叉设备,可以实现动态波长选路和对光网络灵活、有效地管理。

《光波导理论与技术》课件

光计算和光传感等领域。
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。

光在波导中的传播

由特征方程，波长越大，要求相应模式光波的入射角越小。因此，截止波长实际上是波导内允许存在的光波的最大波长。
由于下界面处于全反射临界状态，因而不管对TE波还是TM波，都有，
1 0
cos c1 1 (n2 / n1 ) 2
2 n12 n2 n1
因此截止波长表示为：
2 2h n12 n2 c m 0
一、平板光波导的射线理论平板型波导是介质波导中最简单、最基本的结构，理论分析也具有代表性。故本节就平板型波导从射线理论和电磁场理论两个方面进行分析。
n0 θ x z 图 4-1 h n1 n2 平板波导及其中的射线路径
（一）
导波与辐射模
最简单的平板型光波导是由沉积在衬底上的一层均匀薄膜构成（因而又叫做薄膜波导），如图 4-1 所示，它的折射率 n1 比覆盖层（通常为空气）的折射率n0 及衬底层折射率 n2都高，且n1>n2>n0。设薄膜厚度为h，沿y方向薄膜不受限，在薄膜与衬底的界面（下界面）上平面波产生全反射的临界角为，而在薄膜与覆盖层的界面（上界面）上平面波产生全反射的临界角为，根据全反射原理，有：
1s arctan
n sin n n1 cos
2 1 2 2 2
0 s arctan
2 n12 sin 2 n0
n1 cos
而对于TM波（即电场矢量E平行于纸面的p波），有：
1 p arctan
n sin n n cos / n1
2 1 2 2 2 2 2
其中： m 0,1,2, 全反射时相位变化
根据图中的几何关系，上式可变为：
2k0n1h cos 21 20 2m

1平面光波导技术

光波导是集成光学重要的基础性部件，它能将光波束缚在光波长量级尺寸的介质中，长距离无辐射的传输。

平面波导型光器件，又称为光子集成器件。

其技术核心是采用集成光学工艺根据功能要求制成各种平面光波导，有的还要在一定的位置上沉积电极，然后光波导再与光纤或光纤阵列耦合，是多类光器件的研究热点.按材料可分为四种基本类型：铌酸锂镀钛光波导、硅基沉积二氧化硅光波导、InG aAsP/InP光波导和聚合物（Polymer）光波导。

LiNbO3晶体是一种比较成熟的材料，它有极好的压电、电光和波导性质。

除了不能做光源和探测器外，适合制作光的各种控制、耦合和传输元件。

铌酸锂镀钛光波导开发较早，其主要工艺过程是：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。

并沉积上二氧化硅保护层，制成平面光波导。

该波导的损耗一般为0.2-0.5dB/cm。

调制器和开关的驱动电压一般为10V左右；一般的调制器带宽为几个GHz，采用行波电极的LiNbO3光波导调制器，带宽已达50GHz以上。

硅基沉积二氧化硅光波导是20世纪90年代发展起来的新技术，主要有氮氧化硅和掺锗的硅材料，国外已比较成熟。

其制造工艺有：火焰水解法（FHD）、化学气相淀积法（CVD，日本NEC公司开发）、等离子增强CVD法（美国Lucent公司开发）、反应离子蚀刻技术RIE多孔硅氧化法和熔胶－凝胶法（Sol-gel）。

该波导的损耗很小，约为0.02dB/cm。

基于磷化铟（InP）的InGaAsP/InP光波导的研究也比较成熟，它可与InP基的有源与无源光器件及InP基微电子回路集成在同一基片上，但其与光纤的耦合损耗较大。

聚合物光波导是近年来研究的热点。

该波导的热光系数和电光系数都比较大，很适合于研制高速光波导开关、AWG等。

采用极化聚合物作为工作物质，其突出优点是材料配置方便、成本很低。

第1章光波导原理与器件概述PPT课件

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第1章光导波原理与器件概论
第三，空间上多道阵列、多频段以致三维立体的光学存储及处理的特点，使光存储和处理的容量可达到1018kbit的“海量信息”。如果用集成光路来实现光信号的逻辑运算、传送和处理，则可制成体积小、速度快、容量大的“全光计算机”。光子计算机与电子计算机相比有着并行处理、信号互不干扰、开关速度快、光速传递、宽带以及信息容量极大的优点。
离散光学系统是将有一定几何尺寸的光学元器件固定在大型的光学平台或光具座上所构成的光路系统。系统的大小约是几平方米的数量级，光束的粗细约为5-10mm的范围。光束一般通过空气在各个光学元器件之间进行传输。由于受到介质对光的吸收、色散和散射等因素的影响，系统光能损耗较大，组装、调整也比较困难。
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第1章光导波原理与器件概论
1.1 导波光学的发展概况
1.1.1 导波光学基本概念 1.1.2 导波光学产生及发展过程
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第1章光导波原理与器件概论
二十世纪六十年代激光的出现，使半导体电子学、导波光学、非线性光学等一系列新学科涌现出来。
二十世纪七十年，由于半导体激光器和光导纤维技术的重大突破，使以光通信、光信息处理、光纤传感、光信息存储与显示等为代表的光信息科学与技术得到迅速发展，导波光学已经成为光信息科学与技术的基础。
1、分支型开关阵列。在器件长度比较短、适合于集成化的器件中大都采用LiNbO3分支开关。当波导宽4μm时，电极长度为0.8mm，即使做成如图 1.3所示的1×4光学开关阵列，开关工作部分的长度也仅仅只有3mm。
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第1章光导波原理与器件概论
2、方向耦合器型开关阵列。通常方向耦合器器件长度约为5mm，即使不要求比较严格的制作精度，也可以在比较低的电压下获得比较高的消光比，因而首先用于制作集成化光学开关阵列。图1.4所示是以Z切割LiNbO3为衬底，制作出的用于1.3μm波长的4X4光学开关阵列。

第1章--波导的模式

第1章波导的模式
1.简述光波导模式理论在优化设计和分析模拟光波导器件方面的重要性。
光波导是许多光电子器件的基本结构，如滤波器、波分复用器、路由器、波长变换器、调制器、开关、放大器、激光器等等，这些光电子器件在光通信网络中具有十分广泛的应用。在优化设计和分析模拟这些光电子器件时都要涉及到有关光波导模式的基本理论，因此了解和掌握光波导模式理论就显得十分重要。
17.给出平板波导TM模的边界条件。
在波导介质层的分界面处，电场和磁场的切线分量都是连续的。y方向和z方向都是介质分界面的切线方向，因此Hy0(x)和Ez0(x)在介质分界面处都是连续的。由分量关系式可知，Ez0(x)连续相当于连续。令第i层介质与第j层介质在x=a处存在一个介质分界面，则TM模在x=a处的边界条件可写为
求出其TE导模电场的场分布函数和特征方程。
(1)场分布函数
(2)特征方程
式中
21.令三层平板波导的相对介电常数分布为
式中b为波导层厚度，。试由亥姆霍兹方程
求出其TM导模磁场的场分布函数和特征方程。
(1)场分布函数
(2)特征方程为
式中
22.什么是三层平板波导导模的功率限制因子?
导模的功率限制因子定义为波导芯中的传输功率P1与波导中的传输总功率P之比。功率限制因子是一个衡量波导对光场限制程度的参量，功率限制因子越大，进入包层中的倏逝场就越小，光场就越集中在波导芯中，芯中的传输功率就越大，因而波导对光场的限制就越好。
2.光波导是怎样的一种器件？
我们知道，光束在介质中传输时，由于介质的吸收和散射而引起损耗，由于衍射而引起发散，这些情况都会导致光束中心部分的强度随传输距离的增大不断地衰减。光波导是这样一种器件，它能使光束的能量在横的方向上受到限制，从而能够引导光束沿特定的方向传输，并使损耗和噪声降到最小。光波导简称波导。

光波导理论与技术讲义2

1.2.1 光线的传输路径及光线分类光线在芯层中直线传播，在芯层和衬底，芯层和敷层的界面上发生反射和折射
波导内的光线分为两类，即束缚光线和折射光线。
全反射临界角 c12
n2 sin n1
1
n3 c13 sin n1
1
衬底折射率n2大于敷层折射率n3，则必有 c12 > 在芯层中光线成为束缚光线的必要条件
式1.1 7

故对 S 求导式为：
切线方向上的单位光程沿路径变化率
d ds
dr n(r) ds n(r)
光线方程
（1.1-8)
折射率梯度
光线方程是矢量方程，表示光线向折射率大的方向弯曲。
例1：光线在均匀媒质中的传播 dr 光线方程： d n(r) n(r) ds ds 因 n = 常数 d 2r n 0 改写成： 2
max n1 / c
可以估算不同路经传输导致的光脉冲展宽

式（1.1-6）称为程函方程；相位梯度 r 方向与光波传播方向一致，其模等于介质折射率；程函方程给出波面变化规律：在均匀介质中，光波传输方向不变；在非均匀介质中，光波传输方向随折射率变。
1.1.2 光线传播路径方程

r ：光线传播路径S上某点的矢径 dr/ds:传播路径切线方向上单位矢量, 根据相位梯度的定义，矢量dr/ds方向与相位梯度方向一致，大小等于：
r0
（ 3.6 ）只要光纤折射率分布和入射点确定，就可计算光线轨迹。
x z
y
小结
程函方程：表示光波相位变化与介质折射率分布的关系
( r )2 n2 r
光线在均匀介质传播路径上无方向变化；在非均匀介质传播路径上有方向变化。光线方程： d ds

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。

(整理)CH1绪论.

导波光学（摘自李玉全编著的「光波导理论与技术」一书的部分章节）第一章绪论当今社会是信息社会，信息技术正在改变着人类社会。

在各种各样的信息技术中，光信息技术的地位越来越重要，作用也越来越突出。

在信息的产生、采集、显示、传输、存储以及处理的各个环节中，光技术都扮演着重要的角色。

20世纪60年代激光器的出现，导致了半导体电子学、导波光学、非线性光学等一系列新学科的涌现。

20世纪70年代，由于半导体激光器和光纤技术的重要突破，导致了以光导纤维通信、光信息处理、光纤传感、光信息存储与显示等为代表的光信息科学技术的蓬勃发展，导波光学（包括集成光学和纤维光学两个分支）已成为光信息技术与科学的基础。

光通信是20世纪70年代以后发展起来的新的通信技术。

光通信被认为是通信发展史上一次革命性的进步，它对人类由工业化社会向信息化社会的进步，有着不可估量的推动作用，而光波导理论和光通信器件则是光通信技术的基础。

鉴于教学学时的限制，本教材仅对光波导的基本理论、以及它在光通信系统中的应用予以概括性的技术介绍。

在介绍具体的光波导理论及应用之前，我们首先简单介绍一下光通信的发展过程。

本教材论述了导波光学的主要理论基础和应用技术。

1.1 通信历史的回顾通信的发展历史总是与人类文明的发展历史紧密相关的。

可以认为，人类早期的长途通信手段____烽火台报警通信就是光通信。

烽火台通信是现代接力通信的雏形，每个烽火台就是一个通信中继站。

当边关有战事时，烽火台点起烽烟，一级接一级地往下传，很快即可将信息送达目的地。

当然这种光通信并非现代意义下的光通信，可以称它是目视光通信。

这种通信方式的优点是快速，主要缺点是能传输的信息量太小，烽火无法表达边关战事的具体情况。

到了中世纪这种烽火台通信又得到了改进，人们用不同颜色的烽烟组合来传递较为复杂的信息。

目视光通信在19世纪达到了它的顶峰。

18世纪末，法国人夏布（Chappe）发明了扬旗式通信机（又称旗语通信机）。

光波导技术-刘德明、孙琪真

职称
专业
年龄
学术方向
刘德明（负责人）
教授
光电子
50
光纤通信与传感
孙军强
教授
光电子
36
电子
34
光纤与光波导
课程负责教师教育经历及学术成就简介：
刘德明，教授，博导，1957年1月出生在中国湖北省。1984年他研究生毕业于成都电子科技大学。现在是中国武汉华中科技大学教授。他的研究兴趣包括光接入网、光通信器件和光传感器设计。
1、师资方面：
主讲教师是该领域资深研究者，理论联系实际。
2、教学内容方面：
结合最新研究成果，资料不断更新。
3、教学方式方面：
讲述与讨论结合。
4、教材方面：
内容全面，循序渐进。
5、其它：
课程教学目标：
本课程通过对光波导理论与技术的学习，了解和掌握光波导分析的基本方法以及光波导器件与集成光子技术的理论与设计工艺，并介绍光波导技术光光传输、光传感和光检测等领域的重要应用。
课程大纲：
第一章光波导概论
第二章光波导基础理论与分析方法
第三章平板光波导
第四章矩形光波导
第五章圆柱光波导
第六章光波导器件
第七章光波导应用技术
第八章光波导集成技术
第九章光波导技术发展
教材：
主要参考书：
1、刘德明等编著，《光波导技术》
2、刘德明等编著，《光纤光学》，国防工业出版社
3、范宗澄等编著，《导波光学》，清华大学出版社
4、刘德明等编著，《光网络器件与技术》，华中科技大学出版社
本课程达到国际一流水平研究生课程水平的标志：
附件
课程名称：光波导技术
课程代码：182.502
课程类型：□一级学科基础课■二级学科基础课□其它：

《光波导理论与技术李玉权版》第一、二章

——自学《光波导理论与技术李玉权版》笔录第 1 章绪论 (2)1.1 光通讯技术 (2)1.2 光通讯的发展过程 (2)1.3 光通讯重点技术 (3)光纤 (3)光源和光发送机 (5)第 2 章电磁场理论基础 (7)2.1 电磁场基本方程 (7)麦克斯韦方程组 (7)电磁场界限条件 (8)颠簸方程和亥姆霍兹方程 (10)柱型波导中的场方程 (11)2.2 各向同性媒质中的平面电磁波 (13)无界平均媒质中的平均电磁波 (13)平面电磁波的偏振状态 (13)平面波的反射和折射 (15)非理想媒质中的平面电磁波 (16)2.3 各向异性媒质中的平面电磁波 (18)电各向异性媒质 (18)电各向异性媒质中的平面波 (18)2.4 电磁波理论的短波长极限——几何光学理论 (22)几何光学的基本方程—— eikonal 方程 (22)光芒流传的路径方程 (24)路径方程解的两个特例 (25)折射定律与反射定律 (28)第 1 章绪论1.1 光通讯技术光通讯的主要优势表此刻以下几个方面：（ 1）巨大的传输带宽石英光纤的工作频次为 0.8 ~ 1.65 m，单根光纤的可用频带几乎达到了200THz。

即即是在1.55 m邻近的低消耗窗口，其带宽也超出了15THz 。

（ 2）极低的传输消耗当前工业制造的光纤载 1.3 m邻近，其消耗在0.3 ~ 0.4dB/ km范围之内，在1.55 m 波段已降至 0.2dB / km以下。

（3）光纤通讯可抗强电磁扰乱，不向外辐射电磁波，这样就提升了这类通讯手段的保密性，同时也不会产生电磁污染。

1.2 光通讯的发展过程准同步数字系统（ PDH）同步光网络（ SONET）全光网络图 1.1.1 光纤通讯发展的三个阶段一个最基本的光纤通讯系统的构成：图 1.1.2 光纤通讯系统原理框架图1.3 光通讯重点技术1.3.1 光纤光纤是构成光网络的传输介质，当前通讯光纤所有都是以石英为基础资料制作的，它有纤芯、包层及保护层构成，横截面如图 1.1.3 所示。

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1

作为光纤的补充：目前大多数电信运营商都采用
两条光纤连接来保证所构建的商业应用网的安全。现在，运营商无需部署两条光纤链路，可以选择 FSO系统作为备份光纤的冗余链路，以节省投资。接入应用：FSO也可以用在接入网中，例如吉比特以太网接入。业务提供商可以使用FSO去旁路本地环路系统，或当作LMDS或蜂窝网的回程链路。 DWDM业务：想要构建属于自己的光纤网络的独立运营商，可以结合使用WDM与FSO来完成部分链路的传输，以节省光纤租赁费用。
1999年初，济—青工程8×2.5Gb/s。 1999年4月，海口—三亚（国产设备）。
光纤的损耗已经降低到0.16dB/km。
现在40Gb/s系统已经商业化，实验室Tb/s 级
系统已经研制成功。
光纤通讯
Electrical to Light Light to Electrical
Input
FSO技术既能提供类似光纤传输的速率，又无需在频谱等稀有资源方面有很大的初始投资；激光技术的进步已经使耐用可靠的器件变得很便宜，大大降低了FSO设备的造价；与光纤线路相比，FSO系统不仅建设周期较短，成本也低很多，大约是光纤到大楼成本的1/10-1/3。在目前许多企业和机构都不具备光纤线路，但又需要较高速率的情况下，FSO不失为一种解决 “最后一公里”瓶颈问题的有效途径。
光功率计
启动光缆
850 1300
连接
-19.0 dB
光源
850 nm多模
距离在3公里以下
1300nm多模
距离在5-8公里
1300或1550nm单模
考虑5公里以上绝对超过8公里
无源器件
TX
dB 损耗
终端连接

光波导理论与技术说明书

图书基本信息书名：<<光波导理论与技术>>13位ISBN编号：978711510700810位ISBN编号：7115107009出版时间：2002-12出版时间：人民邮电出版社作者：李玉权,崔敏页数：343字数：538000版权说明：本站所提供下载的PDF图书仅提供预览和简介，请支持正版图书。

更多资源请访问：内容概要本书系统地讲述了目前发展比较迅速的光波导传输理论和光通信器件的工作原理。

本书的第1章是对光通信及相应的器件的一个概略介绍。

第2章是电磁场理论基础，介绍经典电磁理论的主要结论。

第3章是几何光学分析方法，讲述光波导中光的传播规律。

第4章讲述平面波导及条形波导的模式理论。

第5章介绍光纤的模式理论。

第6章讲述光纤的色散特性和色散补偿技术。

第7章是光纤的非线性传输理论，讲述光纤中重要的非线性效应。

第8章介绍光通信系统中常用的无源光器件的结构、工作原理和特性。

第9章讲述有源光器件的结构、工作原理及特性。

本书的作者长年为本科生和研究生讲授《光纤通信》、《光纤传输理论》课程，因此本书可以作为相关专业的本科生和研究生的教材。

对于从事与光纤通信相关工作的工程技术人员，本书也可以提供有益的参考。

书籍目录第1章绪论1.1 通信历史的回顾1.2 光纤通信的产生和发展1.3 光通信关键技术1.3.1 光纤1.3.2 光源和光发送机1.3.3 光检测器和光接收端机1.3.4 光电集成和光集成技术1.4 光波技术的发展第2章电磁场理论基础2.1 电磁场基本方程2.1.1 麦克斯韦方程组2.1.2 电磁场边界条件2.1.3 波动方程和亥姆霍兹方程2.1.4 柱型波导中的场方程2.2 各向同性媒质中的平面电磁波2.2.1 无界均匀媒质中的均匀平面电磁波2.2.2 平面电磁波的偏振状态2.2.3 平面波的反射和折射2.2.4 非理想媒质中的平面电磁波2.3 各向异性媒质中的平面电磁波2.3.1 电各向异性媒质2.3.2 电各向异性媒质中的平面波2.4 电磁波理论的短波长极限--几何光学理论2.4.1 几何光学的基本方程--eikonal方程2.4.2 光线传播的路径方程2.4.3 路径方程解的两个特例2.4.4 折射定律与反射定律第3章光波导的几何光学分析方法3.1 均匀介质薄膜波导中光线的传播3.1.1 光线的传播路径及光线分类3.1.2 传播时延及时延差3.2 芯层折射率渐变的介质薄膜波导中光线的传播3.2.1 传播路径及光线分类3.2.2 传播时延及时延差3.2.3 举例3.3 阶跃光纤中光线的传播3.3.1 传播路径及光线分类3.3.2 数值孔径3.3.3 传播时延和时延差3.4 梯度光纤中光线的传播3.4.1 路径方程和光线不变量3.4.2 光线路径及光线分类3.4.3 本地数值孔径3.4.4 传播时延3.4.5 举例3.5 光纤与光源的耦合3.5.1 照射光源3.5.2 耦合效率3.5.3 提高光源耦合效率的措施第4章薄膜波导和带状波导的模式理论4.1 均匀薄膜波导4.1.1 TE 模4.1.2 TM模4.1.3 传播模和辐射模4.1.4 截止参数4.1.5 单模传输和模数量4.1.6 导波场分布4.1.7 导波的传输功率和有效厚度4.1.8 对称薄膜波导4.1.9 本地平面波解释4.2 渐变薄膜波导4.2.1 无界的抛物线型折射率分布光波导的解析解??4.2.2 有界的抛物线型折射率分布光波导的解析解??4.3 条形光波导4.3.1 条形光波导的结构4.3.2 分析条形波导的马卡梯里方法4.3.3 Emn模4.3.4 Emn模4.3.5 截止条件与单模传输4.4 带状波导的近似分析方法?第5章光纤的模式理论5.1 光纤中的电磁场方程 5.2 阶跃光纤的严格解--矢量模解 5.2.1 阶跃光纤的电磁场解 5.2.2 导波模的特征方程 5.2.3 导波模分类 5.2.4 导波模的截止参数和单模传输条件 5.2.5 远离截止状态时导波模的性态 5.2.6 色散曲线 5.2.7 导波模的场型图 5.3 阶跃光纤中的线偏振模5.3.1 线偏振模场解及特征方程 5.3.2 线偏振模特性5.3.3 LPmn模与矢量模之间的对应关系 5.3.4 LPmn 模的功率分布5.3.5 多模光纤中的模数量5.4 梯度光纤的解析解法5.4.1 抛物线型折射率分布光纤中的标量近似解5.4.2 相位常数5.4.3 模式群和模式数量5.5 光波导的数值分析方法5.5.1 有限元方法概要5.5.2 边界条件 5.5.3 计算举例5.6 模式的正交性和完备性 5.6.1 模式的完备性 5.6.2 模式的正交性5.7 微扰法 5.7.1 弱导光纤的微扰解 5.7.2 折射率分布有一均匀变化的情形5.8 模式的横向耦合理论 5.8.1 耦合模方程 5.8.2 耦合模方程的形式解 5.8.3 耦合系数的计算5.9 模式的纵向耦合理论 5.9.1 耦合模方程 5.9.2 纵向耦合特点5.10 单模光纤 5.10.1 阶跃型单模光纤 5.10.2 梯度型单模光纤 5.10.3 单模光纤的双折射和偏振演化第6章光纤的色散特性6.1 色散概述6.1.1 波长色散6.1.2 模式色散6.2 材料色散6.3 单模光纤的色散及单模光纤的分类6.3.1 色散系数6.3.2 单模光纤分类6.3.3 偏振模色散6.4 多模光纤的模式色散6.4.1 群时延差6.4.2 最佳折射率指数αopt?6.5 色散导致的光信号畸变及其对通信的影响6.5.1 光脉冲传播方程6.5.2 传播方程的形式解6.5.3 高斯光脉冲在色散介质中的展宽6.5.4 色散对通信容量的限制6.6 色散补偿6.6.1 后补偿技术6.6.2 预补偿技术6.6.3 在线补偿技术6.6.4 光均衡滤波6.6.5 偏振模色散的补偿第7章单模光纤的非线性传输特性7.1 光波与媒质的非线性互作用7.1.1 电介质的极化7.1.2 媒质的非线性响应7.1.3 光纤的非线性折射率7.2 光信号的非线性传播方程7.2.1 光信号传播方程7.2.2 传播方程的数值解法7.3 自相位调制（SPM）7.3.1 非线性相移及频率啁啾7.3.2 群速度色散的影响7.3.3 SPM对通信的影响7.4 交叉相位调制（XPM）7.4.1 不同频率光波之间的耦合7.4.2 正交偏振模之间的耦合7.4.3 XPM对通信系统的影响7.5 光孤子传输7.5.1 孤子方程和孤子解7.5.2 暗孤子7.5.3 基态光孤子的传播特性7.5.4 光孤子通信7.6 四波混频(FWM)7.6.1 四波混频的形成机理7.6.2 参量增益7.6.3 四波混频的相位匹配条件7.6.4 四波混频对通信的影响及其可能的应用7.7 受激拉曼散射（SRS）7.7.1 受激拉曼散射的物理机理7.7.2 拉曼增益7.7.3 拉曼阈值7.7.4 短脉冲修正7.7.5 拉曼光纤放大器7.7.6 拉曼串扰7.8 受激布里渊散射（SBS）7.8.1 SBS的物理机理和布里渊频偏7.8.2 布里渊增益7.8.3 布里渊阈值7.8.4 SBS对通信的影响第8章无源光器件8.1 光纤连接器8.1.1 光纤的连接损耗8.1.2 光纤连接器8.2 光耦合器8.2.1 全光纤耦合器的耦合原理8.2.2 光纤耦合器的性能参数8.2.3 耦合器的分类8.3 光波复用、解复用器8.3.1 光波复用、解复用器的性能参数8.3.2 复用、解复用器的结构原理8.4 光调制器8.4.1 电光调制8.4.2 声光调制8.4.3 磁光调制8.4.4 波导调制器和电吸收式调制器8.5 光滤波器、光开关、光隔离器、光衰减器8.5.1 光滤波器8.5.2 光开关8.5.3 光隔离器8.6 光纤光栅8.6.1 光纤光栅的写入技术8.6.2 掺杂光纤光敏性机理8.6.3 均匀周期光栅光学特性8.6.4 线性啁啾光栅光学特性8.6.5 非线性效应8.6.6 光纤光栅的应用第9章有源光器件9.1 半导体激光器的工作原理9.1.1 半导体中光发射的物理机理9.1.2 半导体PN结及其能带结构9.1.3 异质结及直接带隙半导体材料9.1.4 半导体激光器的基本结构及阈值条件9.1.5 激光器的谱宽和线宽9.2 半导体激光器的结构及工作特性9.2.1 条形结构半导体激光器9.2.2 单纵模激光器9.2.3 半导体激光器的工作特性9.3 半导体光电检测器9.3.1 光检测的原理9.3.2 PIN光电二极管9.3.3 雪崩光电二极管（APD）9.3.4 响应度和量子效率9.3.5 光检测器的响应时间9.3.6 光检测器的噪声9.4 光放大器9.4.1 半导体激光放大器9.4.2 非线性光纤放大器9.4.3 掺铒光纤放大器9.4.4 掺铒光纤激光器9.4.5 掺镨光纤放大器（PDFA）参考文献版权说明本站所提供下载的PDF图书仅提供预览和简介，请支持正版图书。

《光波导理论与技术》PPT课件

3.83171
5.13562
6.38016
2
5.52008
7.01559
8.41724
9.76102
3
8.65373 10.17347 11.61984 13.01520
4
11.79153 12.32369 14.79596 16.22347
5
14.930692 16.47063 17.95982 14.40942
1.3.1 光纤主要考虑光纤4个主要的传输特性：损耗、色散、非线性、双折射。
1.3.2 光源和光发送端机 LD、光源调制技术、光端机。
1.3.3 光检测器和光接收端机 1.3.4 光电集成和光集成技术
精选ppt 4
电磁场理论基础
§2.1 电磁场基本方程
H J D t
E B t
B 0 D
绪论
§1.1 单模光纤损耗谱示意图
精选ppt 1
§1.2 光纤网络的巨大传输带宽
通常认为带宽是载波频率的10%左右，以目前光纤中传输的1.55µm光波为例,载波频率为:
f c1.535 110086200THz
带宽大约为20THz, 当然这只是说光纤有这么大的带宽容量，实际上已经利用了多少带宽是另一回事。例如1.6Tbit/s光纤链路大约可以传输1930万路语音信道。
§5.2 阶跃光纤的严格解---矢量模解
可以用射线理论和本地平面波理论解释，TE模和TM模由光纤中传播的子午光线形成，混合模HE模和EH模则由偏斜光线形成，进一步，由于水平偏振的子午光线形成TE模，而垂直偏振的子午光线则形成TM模。这是因为子午光线的路径是平面折线，它们在分界面上反射时，横向场分量不改变方向。这种情形见下图。偏斜光线的路径时空间折线，纤芯包层分界面上的不同反射点的法线方向不相同，所以不管光线的初始偏振状态如何，都有可能产生 z方向的电场和磁场，故偏斜光线只能形成光纤中的混合模。

第一章_光波导基本理论

古斯汉欣位移
思考：这个位移Δ究竟有多大呢？
TM偏振的本征方程
前面讨论都是由电磁场理论，对TE偏振求解获得的，对 TM偏振也可以获得类似的解
2 h 2m 212 213, m 0,1, 2...
思考：和TE偏振相比，上式有何区别？
rs
=
n1 n1
cos1 cos1

-h
0
任意波导的本征解
注意前面只是对最简单的三层平板波导结构分析获得的。而对更复杂的波导，求解思路一样，但解的形式会更复杂。
影响解的数量的因素是一样的（芯层尺寸、芯层折射率、芯层和包层间的折射率差）。
思考：光纤的基本结构
为何使用包层？为何波导材料是二
氧化硅而不是硅？为何光纤芯层厚度
• 入射能量分为反射和折射两束：强度满足菲涅尔定律.
• 折射角 < 90o
air glass
入射光线
反射光线
内反射
• 随着入射角 , 折射角
• 当折射角 = 90
• 此时的入射角 = 临界角 C
air
折射光线
glass
CC
入射光线
反射光线
内反射
• 如果入射角继续 , 不再有折射光线出现
集成光电子学导论
第一章光波导基本理论
平面光波导的类型
按几何形状划分：平板波导条形波导脊形波导按折射率分布划分：阶跃型渐变型
一维受限（平板）和二维受限（条形）
波导
Y
X
Z
Y X
平面光波导的类型
1-d 光限制
cladding core
nlow nhigh
cladding

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。

光波导技术 第一章