光波导技术基础解读
《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
激光雷达系统中的应用
总结词
光波导在激光雷达系统中发挥了重要作用，能够实现 高精度、高分辨率的测量和成像。
详细描述
激光雷达系统利用光波导作为传输介质，将激光雷达 发射出的光信号传输到目标物体上，并收集目标物体 反射回来的光信号。通过测量光信号的往返时间和角 度信息，可以实现对目标物体的距离、速度、形状和 表面特征等的测量和成像。光波导的高灵敏度和低损 耗特性使得激光雷达系统具有高精度、高分辨率和低 噪声等优点，在遥感测量、无人驾驶、机器人等领域 得到广泛应用。
光波导技术面临的挑战
制造工艺限制
目前，光波导器件的制造工艺仍 受限于材料和加工技术的限制， 难以实现更精细的结构和更高的
性能。
耦合效率问题
光波导器件之间的耦合效率是影响 光子集成回路性能的关键因素，如 何实现高效的光波导耦合仍是一个 挑战。
稳定性问题
光波导器件在温度、湿度等环境因 素下的稳定性问题仍需进一步研究 和改善。
开关分类
光波导开关可以分为电光开关、磁光开关和热光开关等。其中，电光开关是最常用的一种，其利用电场 改变光波导的折射率，实现对光信号的通断进行控制。
光波导耦合器
耦合器概述
光波导耦合器是一种利用光波导 结构实现光信号耦合的器件。通 过将两个或多个光波导连接在一 起，可以实现光信号在不同波导 之间的传输和能量转移。
光波导的波动理论
总结词
波动理论是描述光波在光波导中传播的基本理论。
详细描述
波动理论是研究光波在介质中传播的基础理论，它通过麦克斯韦方程组描述了 光波在空间中的分布和演化。在光波导中，波动理论用于分析光波的传播特性， 如相位速度、群速度、模场分布等。
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。
光波导理论与技术讲义(总结)(课堂PPT)
偏振模色散
1
2
束缚光线：0
z
cos1
n2 n1
; n2
n1
传播路径及分类 均匀介质薄膜波导
折射光线ccooss11
n2 n1 n3 n1
z z
cos1
n3 n1
; n3
2
;0
n3
n2
传播时延及时延差
=t/z=
max
n1
c cosz
n1 c
3
4
5
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
束 缚 光 线 ： 0
n
2 2
2 3
2
k
2 0
n
2 3
k xd
tan 1 2 kx
tan 1 3 kx
m
1 tan 1 2 1 tan 1 3 n
TM模的特征方程
2
kx 2
kx 2
kxd
tan1 2n12
kxn22
tan1
3n12
kxn32
m
1 tan1 2
2n12
kxn22
1 tan1 2
3n12
dr
；与z、都有关
ric [g(r)]1/2
11
自聚焦光纤
12
两种理论：几何光学理论 模式理论
四种介质：均匀平板波导 渐变平板波导 阶跃光纤 梯度光纤
影响光信号传输的三大因素：损耗 色散 非线性
两类器件：光无源器件 光有源器件
偏振模色散
13
TE模的特征方程
k
2 x
2
k
2 0
n
2 1
2 2
2
k
2 0
对HE11模 是主模式
光波导原理
光波导原理光波导原理是一种利用光的传输特性来实现信息传输的技术。
它是一种基于光学原理的传输方式，可以将光信号传输到远距离的地方，同时保持信号的高速和高质量。
在现代通信领域中，光波导技术已经成为了一种非常重要的技术，被广泛应用于光通信、光传感、光计算等领域。
光波导原理的基本概念是光的全反射。
当光线从一种介质进入另一种介质时，如果两种介质的折射率不同，光线就会发生折射。
但是，当光线从高折射率的介质进入低折射率的介质时，如果入射角度大于一定的临界角度，光线就会被完全反射回高折射率的介质中。
这种现象被称为全反射。
利用全反射的原理，可以制造出一种光波导器件。
光波导器件是一种可以将光信号传输到远距离的器件，它由一条光波导管和一些光源、光探测器等组成。
光波导管是一种由高折射率材料制成的管状结构，它可以将光信号沿着管道传输。
光源和光探测器则用于产生和接收光信号。
光波导器件的工作原理是利用全反射的原理将光信号沿着光波导管传输。
当光信号从光源发出时，它会被引导到光波导管中。
由于光波导管的折射率比周围的介质高，光信号会被完全反射回光波导管中，从而沿着管道传输。
当光信号到达光探测器时，它会被探测器接收并转换成电信号。
光波导器件的优点是具有高速、高带宽、低损耗等特点。
由于光波导管的折射率比周围的介质高，光信号可以在管道中传输很长的距离而不会发生衰减。
同时，光波导器件的传输速度非常快，可以达到几十兆比特每秒甚至更高的速度。
这使得光波导器件在高速数据传输、光通信等领域中得到了广泛的应用。
除了光波导器件外，光波导原理还可以应用于其他领域。
例如，在光传感领域中，可以利用光波导原理制造出一种光纤传感器。
光纤传感器是一种可以利用光的传输特性来实现物理量测量的传感器。
它由一条光纤和一些光源、光探测器等组成。
当物理量发生变化时，光纤中的光信号会发生变化，从而可以测量出物理量的变化。
光波导原理是一种非常重要的技术，它可以利用光的传输特性来实现信息传输、物理量测量等功能。
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
光波导技术基础
光波导技术基础光波导技术基础一、光波导的概念与分类光波导是一种利用光的全反射原理进行光信号传输的技术。
根据传输介质的不同，光波导可以分为光纤和光平板两种形式。
光纤波导是采用纤维材料进行传输，而光平板波导则利用具有高折射率的平板材料进行传输。
二、光波导技术的优点1. 大容量传输：光波导技术可以实现大容量的光信号传输，远远超过以往的传输方式。
这是因为光波导中的光信号可以在光纤或光平板中进行不断的全反射，几乎没有信号损失。
2. 抗干扰能力强：光波导传输的光信号在传输过程中不会受到外界电磁干扰的影响，从而保证了传输质量的稳定性。
3. 低衰减率：光波导技术中的光信号衰减率很低，可以减少信号在传输过程中的能量损耗，提高传输距离。
4. 高速传输：由于光波导中的光信号传输速度快，可达到光速的75%以上，因此光波导技术被广泛应用于高速通信领域。
三、光纤波导技术的基本原理光纤波导是利用纤维材料的全反射原理进行光信号传输的技术。
光纤是由内心区域（称为纤芯）和外层（称为包层）组成的。
光信号可以通过纤芯中的光波引导到目的地。
光纤波导的基本原理源于光的全反射现象。
当光从光纤的一端进入时，如果光线入射角度小于临界角，光会被光纤的纤芯全反射，然后沿着纤芯继续传输。
这种全反射的现象可以保证光信号不会损失，从而实现光信号在光纤中的传输。
四、光平板波导技术的基本原理光平板波导技术是利用具有高折射率的平板材料进行光信号传输的技术。
平板材料可以是晶体或者其他具有高折射率的材料，例如硅。
光平板波导的基本原理是将光信号引导在平板材料的表面上，形成一条被限制在平板内传播的光波。
当光信号被平板表面反射时，会发生总反射现象，并且沿着平板表面传播。
平板的结构和特殊设计可以控制光信号的传输路径和传输效果。
五、光波导技术的应用领域光波导技术在通信、光学传感、生物医学和光学计算等领域具有广泛的应用。
在通信领域，光波导技术被广泛应用于光纤通信和光纤传感领域。
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
光波导技术基础
光波导技术基础（实用版）目录1.光波导技术的基本概念2.光波导技术的理论基础3.光波导技术的应用领域4.光波导技术的发展趋势正文光波导技术基础光波导技术是一种利用光在介质中传播的特性，通过特定的光学结构实现光信号的传输和控制的技术。
光波导技术在现代通信、光学传感、光学显示等领域具有广泛的应用。
为了更好地了解光波导技术，我们需要从以下几个方面介绍其基础知识。
一、光波导技术的基本概念光波导是指一种能够约束和引导光波在特定方向传播的光学结构。
根据波导结构和传输模式的不同，光波导可分为多种类型，如单模光纤、多模光纤、平面光波导等。
光波导技术的核心是利用光在介质中的传播特性，实现光信号的高效传输和精确控制。
二、光波导技术的理论基础光波导技术的理论基础主要包括几何光学、波动光学和电磁场理论。
其中，几何光学主要研究光波在光学结构中的传播规律；波动光学则关注光的传播特性，如相位、幅度等；电磁场理论则从电磁场的角度分析光波导中的光信号传输。
通过这些理论，我们可以深入理解光波导的传输特性、模式耦合、双折射现象等基本概念。
三、光波导技术的应用领域光波导技术在多个领域发挥着重要作用，主要包括以下应用领域：1.光通信：光波导技术是光纤通信的核心技术，实现了光信号在光纤中的高效传输，极大地提高了通信速率和传输距离。
2.光传感：光波导技术在光学传感器中有着广泛应用，如光纤传感器、平面光波导传感器等，可实现对温度、压力、位移等物理量的高精度检测。
3.光学显示：光波导技术在光学显示领域也具有重要应用，如光波导显示器、光波导投影仪等，能够实现高清晰度、高亮度的显示效果。
4.其他领域：光波导技术还在光学成像、光能传输、生物医学等领域具有潜在应用。
四、光波导技术的发展趋势随着科技的不断发展，光波导技术在理论研究和应用领域都取得了显著进展。
未来，光波导技术的发展趋势主要体现在以下几个方面：1.更高效的光波导传输技术：通过优化波导结构、提高材料性能等手段，进一步提高光波导的传输效率和带宽。
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。
光波导基础知识
光波导（optical waveguide）是引导光波在其中传播的介质装置，又称介质光波导。
光波导有两大类：一类是集成光波导，包括平面（薄膜）介质光波导和条形介质光波导，它们通常都是光电集成器件（或系统）中的一部分，所以叫作集成光波导；另一类是圆柱形光波导，通常称为光纤（见光学纤维）。
传输特性光波导是引导可见光段中的电磁波的物理结构。
常见类型的光波导包括光纤和矩形波导。
光波导可用作集成光路中的组件或用作本地和长途光通信系统中的传输介质。
光波导可根据其几何形状（平面、条带或光纤波导）、模式结构（单模、多模）、折射率分布（阶梯或梯度折射率）和材料（玻璃、聚合物、半导体）进行分类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。
实际应用的矩形几何光波导最容易理解为理论介质平板波导，也称为平面波导的变体。
平板波导由具有不同介电常数的三层材料组成，在平行于它们的界面的方向上无限延伸。
光可以通过全内反射限制在中间层中。
仅当中间层的介电指数大于周围层的介电指数时才会发生这种情况。
在实践中，平板波导在平行于界面的方向上不是无限的，但是如果界面的典型尺寸远大于层的深度，则平板波导模型将是非常接近的。
平板波导的引导模式不能被从顶部或底部界面入射的光激发。
光线必须从侧面注入中间层。
或者可以使用耦合元件将光耦合到波导中，例如光栅耦合器或棱镜耦合器。
引导模式中的一种模式是平面波来回反射的中间层的两个接口之间，入射角在光的传播方向和平行的或垂直的方向之间，在材料界面更大过临界角。
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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14
二,探测器与光纤的耦合
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15
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.
20
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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
第2章光波导理论基础
sinsc
n2, n1
sinoc
n3 n1
当 oc sc 时，则平面光波在衬底和覆盖层与波导层
的交界面处都得不到全反射，而只有部分反射，因此，会
有一部分光将辐射到衬底和覆盖层里去，称它们为辐射模
式，如图2.7a）所示。此时又称为空气模式。
当 oc sc 时，则。平面光波在覆盖层与波导层的交界面
处发生全反射，但在衬底和波导层的交界面处只发生部分
抛物线形和双曲线形。图2.2a)当中，在 axa
区域折射率为 n2 nxn1，在 x a 区域折射率为
n2
第2章 光波导的理论基础
要点与习题
什么是平面波导？ 什么是条形波导？ 什么是柱形波导？ 什么是突变波导？ 什么是渐变波导？
第2章 光波导的理论基础
2.1 光波导种类 2.2 光波导的射线光学理论 2.3 古斯-汉欣线移和有效厚度原理 2.4 光波导的电磁理论
1、波导中的平面波。平面波的表达式为：
E v (r v ,t) E v 0e x p ik v r v t
(2.2-20)
波矢量的标量形式
k
c/n1
k0n1
(2.2-21)
由图2.4可知，若入射角为 i ，则波矢量的x分量和z分量
可写为：
长春理工大学
第2章 光波导的理论基础
kx k0n1cosi
2.2.2 射线光学模型
射线光学模型就是光线在薄膜-衬底和薄膜-覆盖层 分界面上发生全内反射，沿z字形路径在薄膜中传播， 如图2.4所示。
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第2章 光波导的理论基础
2.2.3 光入射到介质界面处的基本定律
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第2章 光波导的理论基础
简明光波导模式理论
简明光波导模式理论光波导模式理论是光学领域中的重要理论之一，它主要研究光在波导结构中的传播模式和特性。
在本文中，我们将简要介绍光波导模式理论的基本概念、原理、种类和特点，以及在光电子学、光通信等领域的应用，并分析其优缺点及改进方向。
1、光波导模式理论的基本概念和原理光波导模式理论主要研究光在波导结构中的传播模式和特性。
波导结构是指能够约束和引导光波传播的介质层或光纤。
根据麦克斯韦方程组和波动光学理论，光波导模式理论可描述为在波导结构中传播的光波的电磁场分布和传播常数之间的关系。
在光波导中，光波的电磁场分布在横向和纵向两个方向上，因此光波导模式理论包括横向模态和纵向模态。
横向模态是指光波在波导结构横截面上的场分布，它包括多种模式，如基模、高阶模、辐射模等。
纵向模态是指光波在波导结构长度方向上的场分布，它描述了光波的传播行为，包括相速度、群速度、衰减等参数。
2、光波导模式的种类和特点根据光波在波导结构中的传播特性和横向模态，光波导模式可分为多种类型。
其中，常见的类型包括：(1)基模（Fundamental Mode）：基模是波导结构中最基本的横向模态，它的场分布具有对称性，并且在横向方向上具有最小的光强分布。
基模的传播常数较小，具有最小的衰减系数。
(2)高阶模（Higher-order Mode）：高阶模是波导结构中除基模以外的其他模态，它的场分布具有非对称性，并且在横向方向上具有较大的光强分布。
高阶模的传播常数较大，具有较大的衰减系数。
(3)辐射模（Radiation Mode）：辐射模是波导结构中不限制光波传播的模态，它的场分布不受波导结构的限制，并且可以向外部辐射能量。
辐射模的传播常数最小，衰减系数也最小。
3、光波导模式在光电子学、光通信等领域的应用光波导模式理论在光电子学、光通信等领域具有广泛的应用价值。
例如，在光电子器件方面，光波导模式理论可用于分析器件的性能和使用条件。
在光纤通信方面，光波导模式理论可用于研究光的传输和信号处理。
光波导技术第一章分析
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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
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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； 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
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.
E E0 exp(ikz) E E0e ikz
20
kx k cos
. .
3.8
平板光波导
• 平板波导通常由三层介质组成 导波层：中间层，介质折射率n1最大 覆盖层：上包层，折射率n3< n1 衬底层: 下包层，折射率n2< n1 • n2=n3，称为对称型平板波导。反之，称为非对称 型平板波导
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。
光波导技术及其应用
光波导技术及其应用光波导技术是一种将光波传输到目的地的高效技术。
它可以将激光等光波束捕获并将其引导到特定方向，使其能够在材料或通道中传输。
在大量实际应用中，光波导技术被广泛应用于生命科学、通讯、照明和传感等领域。
本文将介绍光波导技术的原理、分类和应用。
一、光波导技术的原理光波导技术的实现需要使用光波导管，一种将光波束传输到目的地的高效封闭环境。
这种管道使用折射原理将光束捕获并保持其引导到特定方向。
光波在光波导管内传播时，不会受到损失或破坏，其比传统电线和导线传输更为高效。
光波在封闭环境中的传播可以通过折射率和反射率来控制。
例如，波导的形状可通过调整折射率控制光束的弯曲和方向。
在一些情况下，反射涂层可用于控制光波束的传播，将其引导到目的地而不会受到干扰或损失。
二、光波导技术的分类光波导技术可以分为单模和多模两种类型。
单模光波导技术使用较小的管道和光波束来传输信息。
这种技术特别适用于传输长距离信息和高精度测量。
另一方面，多模光波导技术使用较大的管道和光波束，允许多个波束同时传输信息，更适用于高带宽通信。
三、光波导技术的应用光波导技术的主要应用领域包括生命科学、通讯、照明和传感等。
在生命科学领域，波导技术可用于光学显微镜和激光扫描显微镜，以及基于光触发的神经元操作和化学分析等技术。
波导技术可以以非侵入性方式观察和量化细胞功能和生化过程，并使生命科学家在基于细胞和分子的进一步研究方面取得重大进展。
在通信领域，波导技术可用于制造晶体管、激光器、慢光器和全光开关等设备。
由于波导技术的高带宽传输特性，它可以用于高速数据传输和通信，包括电话、互联网和广播电视等广泛应用。
在照明领域，波导技术可用于制造高效光源，这些光源比传统LED灯更小，更灵活，更节能。
波导技术在户外和室内照明领域均有广泛应用，以及在汽车、航空航天和医疗设备等行业中。
在传感领域，波导技术可用于制造各种传感器。
波导传感器可以用于检测和测量温度、压力、湿度等参数变化，并可以在医疗、农业、环境和自动化等领域中发挥重要作用。
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Ⅳ族C、Si、Sn原子在锗中处在替代位置，既不起施 主又不起受主作用，称电中性杂质。 锂在锗中占间隙位置，可给出一个电子而呈现施主性 质。氢在锗中也占间隙位置，氧也有一部分是间隙的， 但一般不电离不影响材料的电性质。 Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ族杂质原子在硅中的作用与在锗中相似， 但某些杂质的性质则与在锗中不同。 例如，铜和金显示出一个受主能级和一个施主能级。 锰和铁是施主而不像在锗中那样是一个受主，并且扩 散系数大。 氧在硅中浓度可达很高，室温下呈电中性；加热时与 硅形成一系列络合物，放出电子起施主作用。
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有杂质补偿的情况下，电阻率由有效杂质浓度（NAND）或（ND-NA）决定; 总的杂质浓度NI=NA+ND对材料的电阻率产生影响; 杂质浓度很大时，杂质对载流子的散射作用会大大降低 其迁移率。 例如，硅中Ⅲ、Ⅴ族杂质，当N＞1016cm-3时，对室温 迁移率就有显著的影响。
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3.杂质对非平衡载流子寿命的影响 半导体材料中的杂质和缺陷，对非平衡载流子寿命有 重要影响。 例如，硅中的金，有Ec-0.54eV（受主）和Ev+0.35eV （施主）两个能级。 Ec
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，材料亦杂质（如镓）时，金的施主能级 起补偿作用，有两种情况： ⑴ 0＜NGa＜NAu，金的施主能级给出电子填充镓的受 主能级，全部填满后还有一部分电子在金的施主能级 上。 低温时，价带中一部分电子激发填充到金因补偿而 空出的能级中，使材料呈P型。 高温时价带中激发的电子除了填充金的施主能级外， 还填充金的第一受主能级，材料仍然为P型。
4
Ec-0.04eV Ec-0.20eV
EC
Au
3
Au
2
Ev+0.15eV Ev+0.05eV Ge中的Au杂质能级
Au
EV
Au
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。
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§4-1-2 杂质对材料性能的影响 1.杂质对材料导电类型的影响 材料中共存施主和受主杂质时，它们将相互补偿，材料 的导电类型取决于占优势的杂质。 例如，锗、硅材料中， Ⅲ族杂质元素在数量上占优势时，材料呈现P型； Ⅴ族元素占优势时呈现N型； 材料中N型杂质和P型杂质的数量接近，材料呈现弱N 型或弱P型。 一些离子半导体材料，如大多数Ⅱ-Ⅵ族化合物，晶体 中的缺陷能级对半导体的导电类型起支配作用。
2
Ⅰ副族元素金有三个受主能级和一个施主能级。 多重能级的作用与温度及材料中存在的其它杂质的类型 和浓度等有关系。 金在锗中的行为为例说明多重能级特性： 金是周期表中ⅠB族的元素； 掺入锗中处于替代锗原子的位置； 接受第一、二、三个电子所需的能量分别为Ev+0.15eV， Ec-0.20eV和Ec-0.04eV； 金原子外层 有一个电子，可以受激到导带成为自由电 子，产生一个施主能级Ev+0.05eV。
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2.杂质对材料电阻率的影响 半导体材料的电阻率与载流子密度和载流子的迁移率有关。 存在多种杂质，电阻率与杂质浓度的关系近似表示为
1 ( N A N D )e P
1 ( N D N A )e n
NA、ND：材料中受主和施主的 浓度；e：电子、空穴所带电量； p、 n：空穴、电子的迁移率。
d
Si中的Au杂质能级
实验表明: 两个复合中心俘获电子、空穴的能力不同。
P型硅，寿命与Ev+0.35eV（施主能级）上俘获电子的能力 有关，俘获系数r-=6.3×10-8cm3/s。
N型硅，寿命与Ec-0.54eV受主能级俘获空穴的能力有关， 俘获系数r+=1.15×10-7cm3/s。 r+＞r-，受主能级俘获空穴能力比施主能级俘获电子能力大。
1
2. 周期表中除Ⅲ族和Ⅴ族以外的杂质(如Ⅰ副族和过 渡金属元素)。 特点：电离能大，对材料的导电性质影响小，主要起 复合中心或陷阱的作用。 杂质在硅、锗中的能级与它的原子构造、在晶格 中所占的位置有关。 如：Ⅲ族和Ⅴ族杂质在锗中占替代式晶格位置，电离 后，可提供一个受主或施主能级； Ⅱ族的Zn或Cd杂质原子进入锗中, 居替代作用，电离 后，可提供两个受主能级。
第四章 硅、锗晶体中的杂质和缺陷 半导体材料中的杂质和缺陷对其性质具有重要影响。 4-1 硅、锗晶体中杂质的性质 4-1-1 杂质能级 杂质对硅、锗电学性质的影响与杂质的类型和能级在禁带 中的位置等有关。 硅.、锗的杂质大致可分为两类： 1. 周期表中Ⅲ族或Ⅴ族杂质。 特点：电离能低，对材料的电导率影响大，起受主或施主 作用。
3
金的各能级电子分布状态与材料中存在的其它杂质的种 类和数量及温度有关。 1.锗中掺有N型浅施主杂质（如砷）时，金的受主能级起 补偿作用，有几种情况：
⑴ 0＜NAs＜NAu（NAs、NAu分别代表砷浓度和金浓度）时， 砷能级电子全部落入金的第一受主能级上但还不能填满 它。
温度 ，价带中的电子受热激发填充此受主能级，材料 呈现P型。
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⑵NGa＞NAu，金原子施主能级上的电子全部落入镓 的能级上，补偿后，余下的镓能级上的空穴激发到 价带上，材料仍是P型。
金在硅中有两个能级，一个是Ec-0.54eV（受主）， 另一个是Ev+0.35eV（施主）。
a d
Ec-0.54eV
Ev+0.35eV
过渡金属Mn、Fe、Co、Ni原子，外层只有两个4s电 子，行为与双重受主相似。次外层没填满的d壳层不 起作用。
a 硅中掺入N型杂质（如磷）时，浅 施主杂质将金受主能级全部填充， 生成Au-1离子，它使价带中空穴激 发到此能级上与电子复合。 P型硅中，施主能级Ev+0.35eV上 的电子与浅受主杂质发生补偿，生 成Au+，Au+将强烈地吸引导带中的 电子下落重新填充，从而产生复合 作用。
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Ec-0.54eV Ev+0.35eV Ev