光波导理论
《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
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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(光纤)传输理论
Ez1 (r, , z) e
jz
sin m A1J m (Ur / a)
ra
Ez 2 (r, , z) e jz sin m A2 Km (Wr / a)
ra
H z1 (r, , z) e jz cosm B1J m (Ur / a)
H z 2 (r, , z) e jz cosm B2 Km (Wr / a)
第四章 光波导（光纤）传输理论
内容提要
1.射线理论和波动理论基础。 2.应用波动理论分析均匀光纤中的光波电磁 场；对弱导波光纤，又用LP模方法进行了 近似分析。 3.应用射线理论分析均匀和非均匀光纤中光 波电磁场的特性。 4.导模截止条件和光纤中的单模传输条件等。 5.光纤的传输特性：衰减和色散。
可得：
即有：
B2=B/Km(W)
将上述关系代入（4.8）式中，得：
Ez1 (r, , z) Ae
Ez 2 (r, , z) Ae
jz
jz
sin m J m (Ur / a) / J m (U)
cosm J m (Ur / a) / J m (U) sin m Km (Wr / a) / Km (W)
4. 带状结构光缆 —— 把多根形成 多个短形光纤叠层，放入松套管内，可做成束 管式结构。
层绞式光缆
骨架式光缆
中心束管式光缆图
带状结构光缆
4.2光纤的导光原理
光纤属于介质圆波导，分析导光原理很复 杂，可用两种理论进行： 首先用波动理论讨论导光原理(复杂、精 确) 然后采用射线理论分析导光原理(简单、 近似)
2 2
式中
k 0 r 0 r k 0 n
2 k 0 0 0 0
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。
第一章光波导基本理论
思考：光在1、2和1、3表面全反射时分别产生了一 个附加相位，为什么？
tan
12
p
tan
13
q
思考：全反射时相位是否会发生改变？
入射角对反射系数相位的影响
光疏光密
光密光疏
思考：全反射时发生的 相位变化大小怎么求？
只要想到反射折射的大小变化，首先 想到菲涅尔公式
rTE(或 rs)=n n1 1c co oss1 1 n n2 2c co oss2 2 代 入 折 射 定 律 n 1 s in 1 n 2 s in 2
13
q
思考：该方程中各字母的物理意义
是相位 的单位
1、2界面 反射时产 生的相位
K为x方向的 波矢
2 h 2 m 2 1 2 2 1 3
1、3界面 反射时产 生的相位
从射线光学角度重新分析 TE偏振的本征方程
2 h 2 m 2 1 2 2 1 3 ,m 0 , 1 ,2 . . .
估 算 h的 值
h 1 .8 7 6 1 c o s
思考：波导芯层厚 度对解的数量有什 么影响？
思考：波导芯层折
射率n1对解的数量 有什么影响？
思考：解的数量还和什
hk0n1hcos 么因素有关？
还需满足解出的θ大于临界角
sin c
n2 n1
影响平板波导本征解数量的因素
对一个多模波导或光纤，你是否 能辨别出每个模式？
线性独立本征解的线性叠加
从量子力学的角度来看平板波导对光的束缚
Helmholtz equation:
[ 2 x k 0 2 n 22]U (x) 0
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摘要由光透明介质(如石英玻璃)构成的传输光频电磁波的导行结构。
光波导的传输原理是在不同折射率的介质分界面上，电磁波的全反射现象使光波局限在波导及其周围有限区域内传播。
光波导的研究条件与当前科技的飞速发展是密不可分的，随着技术的发展，新的制备方法不断产生，从而形成了各种各样的制备方法，如离子注入法、外延生长法、化学气相沉淀法、溅射法、溶胶凝胶法等。
重点介绍离子注入法。
光波导简介如图所示为光波导结构图表1光波导结构如图中共有三层平面相层叠的光学介质，其对应折射率n0,n1,n2。
其中白色曲折线表示光的传播路径形式。
可以看出，这是依靠全反射原理使光线限制在一层薄薄的介质中传播，这就是光波导的基本原理。
为了形成全反射，图中要求n1>n0,n2。
一般来讲，被限制的方向微米量级的尺度。
图表2光波导模型如图2所示，选择适当的角度θ（为了有更好的选择空间，一般可以通过调整三层介质的折射率来取得合适的取值），则可以将光线限制在波导区域传播。
光波导具有的特点光波导可以用于限制光线传播光路，由于本身其尺寸在微米量级，就使得其有很多较好的特点：（1）光密度大大增强光波导的尺寸量级是微米量级，这样就使得光斑从平方毫米尺度到平方微米尺度光密度增大104—106倍。
（2）光的衍射被限制从前面可以看出，图示的光波导已经将光波限制在平面区域内，后面会提到稍微变动一下技术就可以做成条形光波导了，这样就把光波限制在一维条形区域传播，这就限制了光波的衍射，有一维限制（一个方向），二维限制（两个方向）区分（注：此处“一维”与“二维”的说法并不是专业术语，仅仅指光的传播方向的空间自由度，不与此研究专业领域的说法相混同）。
（3）微型元件集成化微米量级的尺寸集成度高，相应的成本降低（4）某些特性最优化非线性倍频阈值降低，波导激光阈值降低综上所述，光波导本身的尺寸优势使得其有很好的研究前景以及广泛的应用范围。
光波导的分类一般来讲，光波导可以分为以下几个大类别：图表3平面波导（planar）图表4光纤（fiber）图表5条形波导（channel）图表6脊型波导（ridge）上面介绍了几大类光波导形式，实际上这只是基本的几种形式，每一种都可以加以变化以适应不同环境及应用的需求。
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摘要由光透明介质(如石英玻璃)构成的传输光频电磁波的导行结构。
光波导的传输原理是在不同折射率的介质分界面上，电磁波的全反射现象使光波局限在波导及其周围有限区域内传播。
光波导的研究条件与当前科技的飞速发展是密不可分的，随着技术的发展，新的制备方法不断产生，从而形成了各种各样的制备方法，如离子注入法、外延生长法、化学气相沉淀法、溅射法、溶胶凝胶法等。
重点介绍离子注入法。
光波导简介如图所示为光波导结构图表1光波导结构如图中共有三层平面相层叠的光学介质，其对应折射率n0,n1,n2。
其中白色曲折线表示光的传播路径形式。
可以看出，这是依靠全反射原理使光线限制在一层薄薄的介质中传播，这就是光波导的基本原理。
为了形成全反射，图中要求n1>n0,n2。
一般来讲，被限制的方向微米量级的尺度。
图表2光波导模型如图2所示，选择适当的角度θ（为了有更好的选择空间，一般可以通过调整三层介质的折射率来取得合适的取值），则可以将光线限制在波导区域传播。
光波导具有的特点光波导可以用于限制光线传播光路，由于本身其尺寸在微米量级，就使得其有很多较好的特点：（1）光密度大大增强光波导的尺寸量级是微米量级，这样就使得光斑从平方毫米尺度到平方微米尺度光密度增大104—106倍。
（2）光的衍射被限制从前面可以看出，图示的光波导已经将光波限制在平面区域内，后面会提到稍微变动一下技术就可以做成条形光波导了，这样就把光波限制在一维条形区域传播，这就限制了光波的衍射，有一维限制（一个方向），二维限制（两个方向）区分（注：此处“一维”与“二维”的说法并不是专业术语，仅仅指光的传播方向的空间自由度，不与此研究专业领域的说法相混同）。
（3）微型元件集成化微米量级的尺寸集成度高，相应的成本降低（4）某些特性最优化非线性倍频阈值降低，波导激光阈值降低综上所述，光波导本身的尺寸优势使得其有很好的研究前景以及广泛的应用范围。
光波导的分类一般来讲，光波导可以分为以下几个大类别：图表3平面波导（planar）图表4光纤（fiber）图表5条形波导（channel）图表6脊型波导（ridge）上面介绍了几大类光波导形式，实际上这只是基本的几种形式，每一种都可以加以变化以适应不同环境及应用的需求。
第六讲：光波导理论
几何光学分析
光线轨迹：锯齿形折线 图中平面波的波矢量为： （设n1> n2> n3) k1 | k |=k0n1 k1 = k0n1 sin θ = k0n1cosθ
x
k
β
d
θ
n3 n1
z
0 n2
29
根据全反射临界角的计算公式：
n2 c12 arcsin( ) n1 （1）导模条件：光线在上下界面都发生全反射。 c13 , c12 < < 求得 n2 k0 < < n1k0 2 （2）部分反射，光线在上界面发生全反射,下界面部分反射 有辐射模。（导模截止） c13 < < c12 有： n3k0 < < n2 k0 （3）在上下界面都发生部分反射。能量被同时辐射到上下 包层中去。 < c13 < c12 得到： < n3k0 < n2 k0
第六讲
集成光学理论
1
一、 集成光学概述
一、概念 集成光学是指利用平面光波导结构将光波 束缚在光波长量级尺寸的介质中，长距离无 辐射的传输。 并以此为基础集成不同结构与 功能的大量光子学器件。
2
二、光集成的类型
1、从集成方式上划分－－
“光－光集成”
和“光电集成”；
2、从集成形式上划分－－单片集成和混合集
d2 Z kz 2 Z 0 dz 2
2 kx kz2 k12 2 2 m k 2 （2）
（1）
31
场量可写为： E (r , t ) E ( x)e i ( z t ) H (r , t ) H ( x)e i ( z t )
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
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。
长春理工大学
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
长春理工大学
第2章 光波导的理论基础
电磁场课件-第三章光波导
同一模式的光在不同频率下具有不同的相速度，导致 模式色散。
04
光波导器件
光波导调制器
定义
应用
光波导调制器是一种利用电场或磁场 改变光波在波导中的传播特性的器件。
在光纤通信、光信号处理等领域有广 泛应用。
工作原理
通过在波导中施加电场或磁场，改变 波导的折射率，从而实现对光的调制。
光波导放大器
电磁场课件-第三章光 波导
目 录
• 光波导的基本概念 • 光波导的原理 • 光波导的特性 • 光波导器件 • 光波导的发展趋势
01
光波导的基本概念
光波导的定义
总结词
光波导是一种能够控制光波在其中传播的介质，通常由折射率较高的材料构成。
详细描述
光波导是一种光学器件，其作用是引导光波沿着特定的路径传播。它通常由两种 折射率不同的介质构成，通过内层的高折射率材料和外层的低折射率材料的组合 ，使光波在界面上发生全反射，从而被限制在光波导内部传播。
模式传播
01
光波导支持多种光模式传播，每种模式具有不同的相位常数和
偏振态。
全反射
02
当光波的入射角大于临界角时，光波将在波导界面上发生全反
射，从而实现光的导引。
波导限制
03
光波导能将光限制在波导横截面内，防止光辐射到外部空间，
实现光的束缚。
光波导的损耗特性
吸收损耗
光波导材料对光的吸收导致光能转化为热能，造成光的损耗。
光波导器件的可靠
性
提高光波导器件的可靠性、稳定 性和寿命，以满足实际应用的需 求，降低维护成本和使用风险。
光波导技术的应用发展
光通信领域
利用光波导实现高速、大容量的信息传输，是未来光通信 的重要发展方向。
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。
《光波导理论》课件
02
光波导的传输特性
光的全反射与临界角
光的全反射
当光线从光密介质射向光疏介质时，如果入射角大于临界角，光线将在光密介质 和光疏介质的界面上发生全反射，即光线全部反射回光密介质，不进入光疏介质 。
临界角
当光线从光密介质射向光疏介质时，光线发生全反射的入射角称为临界角。临界 角的大小取决于光密介质和光疏介质的折射率。
光波导集成技术的挑战
光波导集成技术的发展趋势
主要在于如何提高集成器件的性能、降低 成本并实现大规模集成。
随着新材料、新工艺和新结构的研究，光 波导集成技术有望在未来实现更高的性能 和更低的成本。
光波导量子技术
光波导量子技术概述
光波导量子技术利用光波导作为量子信 息的载体，实现量子信息的传输和处理
。
03
光波导器件
光波导调制器
定义
光波导调制器是一种利用电场或 磁场改变光波在波导中的传播特
性的器件。
工作原理
通过在波导上施加电压或电流，改 变波导的折射率，从而实现调制光 波的相位、幅度和偏振状态。
应用
用于高速光通信、光信号处理和光 传感等领域。
光波导放大器
01
02
03
定义
光波导放大器是一种利用 波导中的介质放大光信号 的器件。
随着光学信号处理和光学控制的需求增加，光波导非线性效应有望在 未来实现更高效的应用。
05
光波导理论的发展 前景
光波导在通信领域的应用前景
高速光通信
光波导理论的发展使得光波导器件在 高速光通信中具有更高的传输效率和 稳定性，为大数据、云计算等领域提 供了更可靠的技术支持。
光纤到户
随着光波导理论的不断完善，光纤到 户的覆盖范围和传输速度将得到进一 步提升，为家庭宽带接入提供更优质 的服务。
光波导理论
n2 N1
n2
a
a<
l
2 N12 n22
（8）
则此时也只能传输基侧模。
22
3、纵模控制： 在基横模条件满足下，由公式（6）
mnp
m
m L1
2
n L2
2
p L3
2
可知道纵向模式决定了光谱分布：
fp
pc 2neff L
模式间隔：
f c 2neff L
p=1,2,3…… （9）
17
（一）激光器选模理论
x
2E k2E 0
用分离变量法，令
L1
E(x, y, z) X (x)Y ( y)Z (z)
L2
将亥姆霍兹方程 分解为三个方程
y
d2 dx2
X
k
2 x
X
0
d2 dy 2
Y
k y2Y
0
d2 dz 2
Z
kz2Z
0
kx2 ky2 kz2 2m k2 （2）
L3
（1）
23
一般介质中的增益-频率特性是呈抛物线型。结 合基横模控制条件，只有增益系数大于损耗的模式 才能振荡；再结合纵模控制条件，有几个分立的纵 模可以被选中。
, ky
p
L3
(4)
m, n, p 0,1, 2……
把（4）代入 kx2 ky2 kz2 2m k2 得谐振波
频率为：
mnp
m
m L1
2
n L2
2
p L3
2
（5）
每一组（m, n, p）值，有一对独立偏振波模。
20
通常要求激光器工作于基横模单纵模条件下：
1、垂直横模的控制： 把源区和包层看成对称三层平面波导结构，按驻 波形成条件，以及横模m=1被截止的条件得：
《光波导理论教学课件》3.2均匀渐变
3.2均匀渐变波导结构具有较好的光传输和耦合特性。
3.2均匀渐变的原理解析
光波导结构关键点
3.2均匀渐变的实现需要设计合适的波导截面结 构。
优势和应用领域
3.2均匀渐变波导在光通信和传感等领域具有广 泛的应用。
3.2均匀渐变实验演示
1
实验装置及材料介绍
介绍实验所需的装置和材料以及其功能和用途。
《光波导理论教学课件》 3.2均匀渐变
这个教学课件将介绍和讲解光波导理论中3.2均匀渐变的相关知识和概念。
光波导理论概述
1 定义
光波导理论是研究光在特定介质中传播的原理和性质。
2 应用
光波导在通信、激光技术和光学传感等领域有着广泛的应用。
3.2均匀渐变的定义和特点
1 定义
3.2均匀渐变是指波导截面特定参数在传播方向上均匀变化。
2
实验操作步骤详解
逐步解析进行3.2均匀渐变实验的具体操作步骤。
3
实验结果和分析
展示实验结果并对实验数据进行详细分析和讨论。
结论与展望
通过学习光波导理论中的3.2均匀渐变，我们可以更好地理解光传输的特性和 应用，
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。
《光波导理论教学课件》3.4渐变光纤
具有低损耗、宽频带、低色散等 特性，广泛应用于通信、传感等 领域。
渐变光纤的类型
01
02
03
折射率渐变光纤
折射率沿径向线性或非线 性变化，具有良好的传输 性能。
梯度折射率光纤
折射率呈抛物线形分布， 具有低损耗、宽频带等优 点。
多模渐变光纤
适用于多模信号传输，具 有较大的传输容量。
渐变光纤的应用场景
性能优化策略与实践
优化策略
采用材料改性、结构设计、制造工艺等方法，对渐变光纤的性能进行优化。
实践经验
通过对不同类型和规格的渐变光纤进行实验和研究，积累实践经验，不断改进和优化光纤的性能。同 时，加强与国内外相关企业和研究机构的合作与交流，共同推动渐变光纤技术的发展和应用。
05 案例分析与实践应用
CHAPTER
光的折射与反射
光的折射
当光从一个介质进入另一个介质时， 由于速度的改变，光会朝介质折射的 方向偏转，发生折射现象。
光的反射
当光遇到不同介质的交界时，会按照" 入射角等于反射角"的法则反射回去， 发生反射现象。
渐变折射率的光波导原理
渐变折射率光纤
在光纤中折射率逐渐变化的介质，使光在光纤中传播时发生折射，引导光在光 纤中传播。
通信系统
利用渐变光纤的低损耗、 宽频带特性，实现高速、
大容量的信息传输。
传感技术
通过检测渐变光纤中光 的传输特性变化，实现 温度、压力、位移等物
理量的测量。
医学诊断与治疗
将渐变光纤用于激光照 射、光动力治疗等领域，
提高医疗效果。
军事领域
利用渐变光纤实现激光 武器、光学侦查等高技
术应用。
02 渐变光纤的光学原理
第六章光波导理论及器件
x
n3 n1 n2 z
c13 c12 i
i
ห้องสมุดไป่ตู้
引入 沿z方向的传播常数
k1
kz k1 sin i k1 n1k0
n2 k2 n1 k1
sin i sin c12
k2
z方向最大传播常数
则
k2 k1 n2 k0 n1k0
12
2 Ey x
2
( 2 2m ) E y ( 2 n2k 2 ) Ey 2 H y x 2 ( 2 n2 k 2 ) H y
k 0 m0
同样
TE波：只存在电场横向分量
令 H y 0 Ex 0 则TE波中，仅剩 Ey , H z , H x 且 Hx Ey m
j H z ( x) m ( A sin x B cos x),
A2 2 x m
e , ,
H z(2) ( x)
j 2 A2 m
e 2 x ,
H ( x)
A3 3 x m
e
x0
3 A3 3 x H z(3) ( x) jm e ,
9
复共轭
介质中
D E B mH
E ( x, y, z; t ) E ( x, y, z )e jt c.c. H ( x, y, z; t ) H ( x, y, z )e jt c.c.
E ( x , y , z ; t ) B ( x, y , z ; t ) t H ( x, y, z; t ) D( x, y, z; t ) t
正整数—模数
第三章光波导光线理论
x
dr n(r) (r) 因此 ds 相位梯度等于路径切线方向上的单位光程
dr r ds n(r)
上式对路径 S 求导 等式右边：
d ds
dr d n(r) ds ds (r)
d d(r) dr (r) ds r ds ds
jk0 e jk0 r r E0 r j 0 H 0 r e jk0 r
r E0 r
0
k0
0 H 0 r H 0 r H 0 r 0 0
• 由麦克斯韦方程其他三个方程同样处理，得到：
分量
Z 分量
d dθ 2nr dθ dr 0 nr ds ds r ds ds
d dz nr 0 ds ds
d dr dnr dθ nr rnr ds ds dr ds
r E0 H0 n2 r H0 E0 r E0 0
r H0 0
（3.1a） （3.1b） （3.1c） （3.1d）
E
相位梯度
H
• 三个矢量正交，相位梯度与波面法线方向一致。 • 条件： 0, k0 • 将（3.1a）代入（3.1b） ， • 利用矢量恒等式 A B C A C B A B C
• 定义相对折射率差：
n1 n1 n1 n2 c n2
（ 3.9 ）
• 最大时延差：
2 2 n1 n2 n1 n2 1 2 2n1 n1
（ 3.10 ）
max n1 / c
（ 3.11 ）
第二章 2.1 2.2 光波导理论
光波导理论光波导理论-折射率突变型二维波导
光波导理论光波导理论-折射率突变型二维波导
光波导理论光波导理论-折射率突变型二维波导
推导导模条件 驻波的形成条件:相位差=2mπ 光波在波导中传播时,要发生相互加强,则这两 个光波的相位差要为2π的整数倍.因此,为使光 波维持在薄膜内传播,光波的薄膜上下界面之 间往返一次的总相位必须要为2π的整数倍. 这个维持导模的条件也称为横向共振条件,也 就是横向形成驻波的条件.
光波导理论光波导理论-折射率突变型二维波导
光波的传输方式-光波的传输方式 射线光学分析法
B C’
推导导模条件
D d θ1 B’
A A’ E F C D’
BC' = EC - EF = dtan θ 1 - dcot θ 1
B' C' = BC' sinθ1 = d（tanθ1 - cotθ1）sinθ1 BC = d cosθ1
光波导理论光波导理论-折射率突变型二维波导
光波的传输方式— 光波的传输方式—波动光学分析法
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， 定波导中的光场分布，所以必须利用波动光 利用波导边界条件求解波动方程， 学方法 ，利用波导边界条件求解波动方程， 得到光场分布及传输常数， 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。 识光在波导中的传输特性。
光波的传输方式-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 射线光学方法：在光波波长可以忽略的极限情况下， 以近似的认为光能是沿着一定的曲线传输的，用射线来 以近似的认为光能是沿着一定的曲线传输的， 分析光波传播的方法称为射线光学方法或几何光学方法。 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， 优点：用射线光学方法分析波导中光的传输，可以较简 单地得到一些有用的结论，并且比较直观。 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。 缺点：不能导出电磁场严格理论的精确结果。