波导光学讲稿1-1 (1)

微纳光纤
寂寞了二十多年的“集成光学”的概念重又 受到人们的关注，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。
1
2
时，必然
1〉c13 即光线在上
下界面都发生全反射的情况，这样，电磁场将被限
制在薄膜层中，这种类型的称为导波或者导模。
2、当 c〈 13 〈 1 c12 时，光波在波导层和上
包层的界面上发生全反射，光波在波导层与衬底层
的界面上不发生全反射，而是由部分光波能量被泄
漏进入了衬底，此种方式称为衬底辐射模。
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
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
波导光学
刘晓华 xhliuxhliu@tom.com
绪论
“导光”的历史
中国古代烽火台 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；
德国科学家让一根光纤的数据传输 速度达到每秒26T，相当于700张
DVD
Intel 50Gbps）的速度移动数据
硅光子学的通信领域应用取得里 程碑式进展，证实未来电脑可用 光束代替电子信号传输数据。英 特尔实现了世界上首个端至端硅 光子连接，这将对电脑设计产生 革命性影响，极大地提高电脑性 能和节约能源
单地得到一些有用的结论，并且比较直观。 缺点：不能导出电磁场严格理论的精确结果。
光波导理论-折射率突变型二维波导
光波的传输方式—波动光学分析法
波动光学分析法：由于射线光学方法不能确 定波导中的光场分布，所以必须利用波动光 学方法 ，利用波导边界条件求解波动方程，Baidu Nhomakorabea得到光场分布及传输常数，从而更深刻的认 识光在波导中的传输特性。
光波导理论-折射率突变型二维波导
光波的传输方式--射线光学分析法
n 1 ＞n 2 ≥n 3
光波导理论-折射率突变型二维波导
光波的传输方式--射线光学分析法
在上下界面处的全反射临界角分别为：
c12
sin 1
n2 n1
c13
sin 1
n3 n1
光波导理论-折射率突变型二维波导
1、当
〈 〈
c 12
“光纤之父”----高锟博士 2009 诺贝尔 奖获得者
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:
带有包层的石英光学纤维, 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。
光波导技术的迅猛发展
1970年,康宁玻璃公司(Corning Glass Co）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0.17dB/km (单模光纤）；
各种光波导器件在光纤系统中获得广泛应用，构筑 “信息高速公路” ，相关产业蓬勃发展，涉及邮电、 电子、电力、化工以及机械等行业，形成一个年产 值几千亿美元的巨大市场。
3、当 〈1 c13 时，光波能量在上下两个界面都会发
生泄漏，称为衬底包层辐射模。
光波导理论-折射率突变型二维波导
光波的传输方式--射线光学分析法
光波导理论
本章所要讲的重点内容： 折射率突变型二维波导 折射率渐变型二维波导 三维波导
光波导理论-折射率突变型二维波导
光波的传输方式
射线光学分析法 波动光学法
光波导理论-折射率突变型二维波导
光波的传输方式--射线光学分析法
射线光学方法：在光波波长可以忽略的极限情况下，可 以近似的认为光能是沿着一定的曲线传输的，用射线来 分析光波传播的方法称为射线光学方法或几何光学方法。 优点：用射线光学方法分析波导中光的传输，可以较简
n3 n1 n2
园柱波导:光导纤维
纤芯 包层 涂覆层
护套层
单模：8 ~10mm 多模：50mm 62.5μm
125mm
245~250μm
外护层? À强度元件 内护层? 光纤 À缆芯
光波导理论的基本问题
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) 光波导有源与无源器件 光波导性能及非线性 光波导耦合技术 光波导技术的应用 光波导集成技术
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：
– “芯 / 包”结构 – 凸形折射率分布，n1>n2 – 低传输损耗
光波导的分类
按形状分：平板波导，条形波导，脊形波导，园 柱波导（光纤）
按折射率分：渐变型，突变型 按对称分：非对称型，对称型
平板波导