第四章光波导原理
第4章 光在波导中的传播
φ0 p = arctan
2 n12 sin 2 θ − n0 2 n0 cosθ / n1
特征方程中 特征方程 k0 n1 cosθ 是薄膜中波矢量在x方向的分量，它是 薄膜中的横向相位常数，可表示为：
k1x = k0 n1 cosθ
于是特征方程可写为： 2k1x h − 2φ1 − 2φ0 = 2mπ 该式表明，由波导的某点出发，沿波导横向往复一次回到原 处，总的相位变化应是 2π 的整数倍。这使原来的波加强，即 横向谐振条件。 相当于在波导的横向谐振，因而叫做波导的横向谐振条件 横向谐振条件 横向谐振特性是波导导波的一个重要特性。 2．导波的模式 对给定的波导、工作波长和整数m，由特征方程可求出形 成导波的入射角。以该角入射的平面波即形成一个导波模式。
2 2h n12 − n2 对于n 的所谓对称平板波导，截止波长为： 对于 2=n0的所谓对称平板波导，截止波长为： λc = m
该式对TE模和TM模都适用，这就是说，对于对称波导，模序 数相同的TE模和TM模具有相同的截止波长 λc 。但是，TE0模 （或TM0模）的截止波长=∞，此时没有截止现象，这是对称 波导的特有性质。
第四章 光在波导中的传播
光波被约束在确定的介质中传播 时，由这种介质构成的光波通道称 为光学介质波导，或简称为光波导 为光学介质波导，或简称为光波导
光通信的迅速发展， 光通信的迅速发展，促进了对与之有密切联系的光波导技 术的研究。光波导技术是一种以光的电磁场理论为基础， 术的研究。光波导技术是一种以光的电磁场理论为基础，对 光波实施限制和传输的技术。其中， 光波实施限制和传输的技术。其中，介质波导和光纤是两种 最常用和最重要的光波导。下面将以射线理论和电磁场理论 射线理论和电磁场 最常用和最重要的光波导。下面将以射线理论和电磁场理论 分析光波在介质波导和光纤中的传导模式和传播特性， 介质波导和光纤中的传导模式和传播特性 分析光波在介质波导和光纤中的传导模式和传播特性，并介 绍导波光学器件的典型应用。 绍导波光学器件的典型应用。 第一节 光在平板波导中的传播
光波导工作原理研究
光波导工作原理研究光波导是一种利用光的波导结构，将光信号在其中传输的器件。
它在光通信、光传感等领域中起着重要的作用。
本文将深入研究光波导的工作原理以及相关的应用。
一、光波导的基本原理光波导是一种采用全反射原理实现光信号传输的器件。
它由两个折射率不同的介质组成，常见的结构有直接折射波导和反射式折射波导。
当光线从高折射率介质传入低折射率介质时，在界面上会出现全反射现象，从而将光线限制在光波导中传输。
光波导通常采用的材料有硅、玻璃等。
二、光波导的工作原理光波导的工作原理主要是通过控制波导结构和控制光源来实现的。
在光波导中，光信号在光源的作用下，由输入端产生，并在波导中进行传输。
光波导的结构设计和尺寸参数决定了光信号的传输性能，如传输损耗、模式的分离和耦合等。
在光波导的过程中，最常见的传输现象是模式的分离。
模式是指光信号在波导中的空间分布特性，包括基础模式和高阶模式。
为了实现光信号的可靠传输，通常需要采用合适的波导结构和尺寸参数，使得光信号能够尽可能保持在基础模式下进行传输，减少能量的损耗。
另外，光波导的耦合技术也是实现有效传输的重要环节。
耦合是指将光信号从一个波导传输到另一个波导的过程。
常见的耦合方式有直接耦合、间接耦合和透镜耦合等。
通过合理选择合适的耦合方式，可以实现光信号的有效传输和耦合控制。
三、光波导的应用领域光波导在光通信、光传感等领域中有广泛的应用。
在光通信中，光波导被用于光纤通信和光集成电路中，实现光信号的快速传输和集成。
光波导具有低传输损耗、高速传输和抗干扰能力强等优点，使得光波导成为光通信领域的重要技术。
除此之外，光波导还被应用于光传感领域。
光波导结构的特殊设计能够实现对光的共振和散射，从而实现对环境参数的测量。
光波导传感器具有高灵敏度、快速响应和小型化等特点，广泛应用于环境监测、医学诊断等领域。
总结：光波导是一种利用全反射原理实现光信号传输的器件。
它的工作原理是通过控制波导结构和光源来实现的，其中包括模式的分离和耦合技术等。
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。
光波导原理
☆ ☆ ☆
光的折射 光的全反射 光波导
光波导理论
光波导 (optical wave guide)是使光传播在特 是 地制造的介质内的过程 也可以说给光导路过程。 的过程， 给光导路过程 地制造的介质内的过程，也可以说给光导路过程。
是按我们的指导下传 导波光 (guided wave) 是按我们的指导下传 的光。 播的光。
光的全反射
临界角
i=90◦ r=43◦ 如果 i=90◦ , n1=1.00 , n2=1.51 则 r=43◦ 没有折射光，全部反射。 如果 r> 43◦ ,则 没有折射光，全部反射。 43◦
i
r r r’
r’
光的全反射
利用这个原理， 利用这个原理，我们制造一个折射率比上下两 层高的薄膜，调整入射光角度入射到此薄膜（ 层高的薄膜，调整入射光角度入射到此薄膜（导 波层） 我们可以限制这束光在导波层内传播。 波层）内，我们可以限制这束光在导波层内传播。 因此，我们通过离子交换，在玻璃片上制备 因此，我们通过离子交换， 厚度为1~2µm的折射率略高于衬低（玻璃片 的折射率略高于衬低（ 厚度为 的折射率略高于衬低 ns=1.51）的导波层 f=1.52)。 ）的导波层(n 。
光的折射
光的折射现象
光的折射
空气 i n1 n2 r 玻璃 r r’ i’ i
光的折射
从折射率大的介质（玻利） 从折射率大的介质（玻利）到折射率小的介 空气）中时，折射角比入射角大。 质（空气）中时，折射角比入射角大。 如果入射角更大，则折射角可以达到90◦，也 如果入射角更大，则折射角可以达到 可能消失。这时只出现反射光，这种现象叫做光 可能消失。这时只出现反射光， 的全反射。 的全反射。
光波导原理pdf
光波导原理pdf
光波导原理是一种重要的光学传输技术，它利用了光在介质中传
输的原理，将光信号通过光波导管线进行传输。
相对于传统的电缆传
输技术，光波导传输技术有着更高的传输速度、更低的信号衰减和更
强的抗干扰性能。
它已经广泛应用于通信、数据存储、医学诊断等领域。
光波导原理的核心是利用光的全反射特性，将光束限制在介质中
的一定范围内进行传输。
在实际应用中，通常使用高纯度硅材料作为
波导管的介质，因为它具有高的折射率和低的光损耗。
利用光刻技术，可以在硅片上制作出大小不一的光波导管线，形状包括直路、弯曲和
分支等结构。
当光信号通过光波导管线时，由于介质的高折射率，它
会被反射在介质表面，而不会穿透到空气中，因此能够有效地避免信
号的衰减和丢失。
通过不同尺寸和形状的光波导管线可以实现信号的分路、复用、
选择和整合等功能，从而实现复杂的光路控制和信号处理。
同时，光
波导管线还可以与其它光器件如光放大器、光调制器、光检测器等进
行集成，形成完整的光电子集成电路系统。
总之，光波导原理是一种高效、稳定、可靠的光学传输技术，应
用领域广泛，并在通信和信息技术行业中起着重要的作用。
光波导工作原理
光波导工作原理宝子们！今天咱们来唠唠光波导这个超酷的东西的工作原理，可有意思啦！光波导呢，就像是光的高速公路。
你想啊，光就像一群调皮的小精灵，到处乱窜。
但是在光波导里，它们就得乖乖听话，沿着特定的路线跑。
光波导一般是由一些特殊的材料做成的，这些材料对光就有着神奇的约束能力。
咱先来说说这个材料的奥秘。
就好比是一个超级严格的班主任，光波导的材料把光管得死死的。
比如说玻璃或者一些特殊的晶体，它们内部的结构就像是给光挖好了一条条小隧道。
光一进去，就像小朋友进了有轨道的小火车，只能沿着这个轨道走啦。
这是为啥呢？这是因为这些材料的折射率和周围的环境不一样。
折射率就像是光在这个材料里的“交通规则”，光在不同折射率的介质里传播速度和方向都会发生变化。
光波导材料的高折射率就像一堵无形的墙，把光给圈在里面，让它只能沿着特定的方向传播。
那光在这个光波导里到底是怎么跑的呢？光在里面就像在玩一场超级有趣的接力赛。
当光从一端进入光波导的时候，它就开始了自己的旅程。
如果把光波导想象成一根长长的管道，光就像一颗闪闪发光的珠子在管道里滚动。
它在里面会不断地反射，就像弹球在一个封闭的盒子里弹来弹去一样。
每次反射都遵循着一定的规律，这个规律也是由材料的性质决定的。
而且光在里面传播的时候，能量也在不断地传递。
就像一个小火苗，虽然在跳动，但是能量一直在沿着光波导的方向走呢。
你可能会想，光在里面这么弹来弹去的，会不会迷路呀？哈哈，当然不会啦。
这就又要说到光波导的巧妙设计了。
它的形状和尺寸都是经过精心计算的。
比如说，有的光波导是很细很细的丝状，光在这种细细的光波导里传播，就像在走钢丝一样刺激，但又稳稳当当的。
还有的光波导是平板状的，光在平板里就像在一个透明的小盘子里滑行。
这些不同的形状都是为了让光能够按照我们想要的方式传播。
再说说光波导在实际中的应用吧。
它就像一个超级明星，在很多地方都大放异彩呢。
在光纤通信里，光波导可是大功臣。
我们在网上看视频、和朋友聊天，这些信息都是通过光在光波导（光纤就是一种光波导啦）里快速地传递。
光波导原理
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光的折射 光的全反射 光波导
光波导理论
光波导 (optical wave guide)是使光传播在特 是 地制造的介质内的过程 也可以说给光导路过程。 的过程， 给光导路过程 地制造的介质内的过程，也可以说给光导路过程。
是按我们的指导下传 导波光 (guided wave) 是按我们的指导下传 的光。 播的光。
光波导
虚线和实线
光波导
折射率渐变性光波导 K+离子交换光波导中广的实际传播方式 :
1.51 0 折射率 1 1.52
厚度(µm)
谢谢大家！ 谢谢大家！
光的折射
光的折射现象
光的折射
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
空气 i n1 n2 r 玻璃 r r’ i’ i
光的折射
从折射率大的介质（玻利） 从折射率大的介质（玻利）到折射率小的介 空气）中时，折射角比入射角大。 质（空气）中时，折射角比入射角大。 如果入射角更大，则折射角可以达到90◦，也 如果入射角更大，则折射角可以达到 可能消失。这时只出现反射光，这种现象叫做光 可能消失。这时只出现反射光， 的全反射。 的全反射。
光波导 nc=1.00 nf>nc nf>ns
nc nf
d=1~2µm
包层 导波层
ns
衬底
光波导
在导波层和包层界面上， 在导波层和包层界面上，因为折射率比例 大可容易达到全反射目的。 大可容易达到全反射目的。但是导波层和衬底 的折射率比例小，衬底内出现折射光。 的折射率比例小，衬底内出现折射光。如果入 射角角度小，光在整个玻璃片内传播， 射角角度小，光在整个玻璃片内传播，入射角 达到一定角度时光在导波层内传播。 达到一定角度时光在导波层内传播。
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。
光波导原理
光波导原理
光波导原理是利用材料的光导特性来传输和控制光信号的一种技术。
在光波导中，光信号通过材料中的折射率差异在导轨内传输。
光波导可以分为单模光波导和多模光波导两种。
在单模光波导中，只有一束光信号可以在光波导中传输。
这是因为单模光波导的导轨尺寸非常小，只有几个波长的大小，所以只有波长相近且具有相同传播特性的光信号才能传输。
单模光波导可以用于传输高精度的光信号，例如用于光通信、光传感等领域。
而多模光波导则可以传输多个光信号，因为导轨尺寸相对较大，可以容纳多个模式的光信号。
多模光波导适用于传输低速、低精度的光信号，例如用于光学教学实验、光学传感等应用。
在光波导中，光信号通过波导的折射率差异来实现传输与控制。
导轨内部的折射率一般比周围的材料大，可以使光束在导轨内多次反射，并保持相对稳定的传输路径。
这种折射率差异可以通过改变导轨的材料、结构或者施加外部电场等方式来实现。
光波导的材料一般选用具有高折射率差的材料，例如硅、氮化硅等。
这些材料具有优良的光导特性，能够减少光信号的衰减和交叉干扰。
光波导技术在光通信、光学传感、生物医学等领域有广泛应用。
随着光子学技术的不断发展，光波导技术将进一步推动光子学的应用和发展。
光波导原理
光波导原理
《光波导原理》
一、什么是光波导？
光波导是一种在光学和通信领域彻底改变了传输和传输的结构
的新型光纤，它具有非常宽的带宽，可以传输大量的经济实用的信息，是一种极具有应用前景的新型光纤。
二、光波导的结构
光波导是一种结构特殊的光纤，其基本结构包括：一个芯线和外面的聚合物层，两者夹在一起，芯线由透明的垫片和特殊折射率的金属包围，它可以导入和导出光，其基本原理是以一种精确的半径折射的金属结构将光纤管内的激光光从外部引入到管内，并可以在芯线的内部传播。
三、光波导的优点
1、光波导具有非常宽的带宽，可以传输大量的经济实用的信息。
2、由于金属结构的折射率可以很好地抑制外部干扰，它可以保证传输数据的稳定性。
3、它可以有效地减少传输信息需要的光纤的数量，因此可以节省建设成本。
4、由于光波导只需要很少的维护，使用寿命比传统光纤更长久。
四、光波导的应用
光波导的应用非常广泛，主要用于移动通信、数据传输、电缆系统等。
它可以将高清的视频信号、音频信号、电脑数据以及其他类型
的信号传输到不同的地方。
而且它可以在相同的线路上传输多种不同类型的信号，可以同时传输多路信息，可以有效地提高信息传输效率。
第四章光波导原理
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《光电子技术》● 第四章 光波导原理
2015-11-10【17】
光纤的基本知识—光纤的优缺点
传输介质 对绞线
带宽 6 MHz
衰减系数 中继距 抗电磁干 尺寸与 dB/km 离km 扰性能 重量
第四章 光波导原理
4.1 平板型介质光波导
光
波
4.2 通道型介质光波导
导
原 理
4.3 光纤
4.4 新型光波导
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《光电子技术》● 第四章 光波导原理
2015-11-10【17】
光纤（圆柱光波导）
光纤的基本知识 光纤的结构参数 光纤的射线光学分析 光纤的物理光学分析 光纤的传输特性
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光纤界面光传输情况
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《光电子技术》● 第四章 光波导原理
2015-11-10【17】
光纤的结构参数—相对折射率、归一化频率
相对折射率Δ定义为纤芯折射率同包层折射率的差与纤芯折射率之比：
n1 n2 n1
一般n1只略大于n2：单模光纤Δ=0.3% ，多模光纤Δ=1% ，于是
N . A. n12 n22 n1 n1 n2 n1 2
《光电子技术》● 第四章 光波导原理
2015-11-10【17】
光纤的基本知识
光纤是光导纤维的简写，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维 中的全内反射原理而达成的光传导工具.
前香港中文大学校长高锟和George A. Hockham首先提出光纤可 以用于通讯传输的设想，高锟因此获得2009年诺贝尔物理学奖.
第四章 光波导调制器
则： 调相波电场为： E (t ) A cos t sin m t 0
m 为调制信号的角频率
一 光波调制的基本概念--偏振调制
在一定条件下，可以利用两个调相波构成偏 振调制。 假定两个同频率的光载波传播方向，偏振方 向相互垂直.则两个调相波分别为:
E x (t ) A1 cost 1 M (t ) 01 E y (t ) A2 cost 2 M (t ) 02 消去后：
1 1 ( 2 ) i , j ( 2 ) i , j xi y j 1 n i, j n
其中( ( 1 1 ) 是由外加电场引起的 ( ) i , j 的增量，在主轴坐标系 下，可以表示为： i, j n2 n2 K 1， 2， 3 E K 为外加电场分量 r ijk 为电光系数张量元素
E(t ) A coswt (t )
A, 为光载波的振幅和角频 率
(t ) 为已调波的瞬时相位
(t ) M (t ) 0 0 为初相位 为调制指数 M (t ) 为归一化调制信号
一 光波调制的基本概念--相位调制
例如:
正弦调制信号： M (t ) sin m t
衡量调制器性能优劣的质量指标主要是最大 调制深度/最高调制频率/调制带宽/单位带 宽的驱动功率等. 调制深度:
( I 0 I ) / I 0 I ( I 0 I ) / I M I0 IM I0 IM
I 为调制器施加某一调制 信号时的输出光强， I M为施加最大调制信号时 的输出光强， I 0为无调制信号时的输出 光强。
三. 晶体中的光波--晶体的电光效应
1 1 r13 E z 2 ，r33 E z 2 n0 ne
第4章 波导中的光波I
分界面法 向单位矢
电力线与 界面正交
v v ⎧n × E = 0 ⎪v v ⎪n × H = α ⎨v v ⎪n ⋅ D = ρs v v ⎪n ⋅ B = 0 ⎩
传导电流 面密度
E x = A1 cos(k x x ) sin(k y y )e
ik z z
对于Ey，在x=0和y=0的界面上分别有：
E y = 0，
∂E y ∂y
=0
由 此 得 ： C1=0 和 D2=0 。 代 入 u(x,y) 式 ， 并 取 A2=C2D1得：
E y = A2 sin(k x x ) cos(k y y )e
显然，C1 和D1 ，C2 和D2 不能同时为0。假设波 导内壁分别位于x=0、a和y=0、b平面，下面根 据边界条件对分量Ex、Ey和Ez确定4个常数。 则E(x,y)的分量解可表示为：
对于Ex，在x=0和y=0的界面上分别有：
∂E x = 0 , Ex = 0 ∂x
由 此 得 ： D1=0 和 C2=0 。 代 入 u(x,y) 式 ， 并 取 A1=C1D2得：
§4.3 梯度折射率波导 §4.4 光纤
§4.1 金属波导
金属波导——即空心金属管。其截面通常为圆 形或矩形，主要用于传输微波。
我们知道
电磁波主要在导体以外的空间或绝缘介质 内传播，只有很小部分进入导体表层内。
良导体时电磁 波的传播行为
高频电磁波几乎 全部被反射，其 穿透深度趋于零。
导体表面构成电 磁波的自然边界。
沿z方向电磁场无界，其传播因子应具有平面 波形式，上述亥氏方程的解表示为
光波导定义
光波导定义光波导是一种用于光通信和光传感的重要器件，它能够将光信号在其内部进行传输。
光波导通过光的全反射原理，将光束控制在其内部，使其在波导中沿着特定路径传输。
光波导由一个或多个具有不同折射率的材料层叠组成，常见的材料包括硅、玻璃和聚合物等。
光波导具有许多优点，例如低损耗、大带宽、高传输速率和抗电磁干扰等。
相比于传统的电缆传输方式，光波导具有更高的传输效率和更远的传输距离。
由于光波导的抗电磁干扰能力强，因此在高电磁干扰环境下，光波导能够更稳定地传输信号，提高通信质量。
光波导的工作原理是基于光在介质中的传播特性。
光束在传播过程中会发生折射和反射，当光束传播到介质边界时，如果入射角大于临界角，光束将会发生全反射，沿着介质内部传播。
通过控制光波导的结构和折射率，可以实现光的传输和控制。
在光波导中，光信号可以通过不同的传输模式进行传输。
常见的传输模式包括单模和多模。
单模光波导适用于长距离传输和高速通信，它只支持一个光模式的传输，具有较小的模式耦合损耗和色散。
多模光波导适用于短距离传输和低速通信，它支持多个光模式的传输，具有较大的模式耦合损耗和色散。
光波导的制备方法主要包括刻蚀法、离子交换法和激光写入法等。
刻蚀法是最常用的制备方法之一，通过先制备光波导芯片的模具，然后使用化学或物理方法将多层材料刻蚀成所需的波导结构。
离子交换法是另一种常用的制备方法，通过将金属离子置换到材料中，改变其折射率，从而形成波导结构。
激光写入法则是一种非接触式的制备方法，通过激光束的热效应将材料改变成波导结构。
光波导在光通信领域有着广泛的应用。
光纤通信系统中的光纤就是一种光波导，它能够将光信号在长距离内传输，实现高速、大容量的信息传输。
光波导还可以应用于光传感领域，例如光纤传感器、光波导生物传感器等，通过对光信号的变化进行测量和分析，实现对环境参数的检测和监测。
随着光通信和光传感技术的不断发展，光波导作为一种关键的器件，将继续发挥重要作用。
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。
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。
第四章光波导原理
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《光电子技术》● 第四章 光波导原理
2015-11-10【17】
光纤的基本知识—光纤的优缺点
传输介质 对绞线
带宽 6 MHz
衰减系数 中继距 抗电磁干 尺寸与 dB/km 离km 扰性能 重量
根据Z(z)、 、R r 的表达式，得出导模的解：
Ez1 C1C2e iv e j zJv
s1r
AJ v
u a
r
e
iv
e
i
z
Hz1
BJ v
u a
r
e
iv
e
i
z
r a
Ez2
CKv
w a
r
e
iv
e
i
z
Hz2
DKv
w a
r
e
iv
e
i
z
r a
式中 A C1C2
u s1a k02n12 2 a w s2a 2 k02n22 a
光纤的物理光学分析—场方程
假设光纤为无限长圆柱系统，芯区半径a ，折射率n1；包层沿径向延伸 至无限远【 r→∞，这一假定主要是考虑到实际的导波模的包层内的场随 r的增加迅速衰减，“看”不到包层的外边界】，折射率n2（<n1 ） ； μ1=μ2=μ0，无损.
Ez满足的波动方程为
2Ez ( x, y, z) k02n2Ez ( x, y, z) 0
ν是贝塞尔函数的阶数，称为方位角模数，它表示纤芯沿方位角φ 绕一圈场变化的周期数; μ是贝塞尔函数的根按从小到大排列的序 数，称为径向模数，它表示从纤芯中心（r=0）到纤芯与包层交界 面（r=a）场变化的周期数.
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u2 w2 k02 n12 n22 a2 V
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光纤的物理光学分析—导模的解
以纵向场表达横向场，有：
Er
第四章 光波导原理
4.1 平板型介质光波导
光
波
4.2 通道型介质光波导
导
原 理
4.3 光纤
4.4 新型光波导
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光纤（圆柱光波导）
光纤的基本知识 光纤的结构参数 光纤的射线光学分析 光纤的物理光学分析 光纤的传输特性
20
1~2
较差 大而重
敷设 安装
一般
接续 方便
同轴电缆 400 MHz
19
1.6
较差
一般 方便 较方便
光纤 >10GHz 0.2~3
>50 不受干扰 小而轻 方便 特殊
带宽极宽，容量极大 光 纤 衰减小，传输距离远 的 抗电磁干扰，保密性好，传输质量高 优 点 尺寸小重量轻33g/km，便于运输和敷设
)
s2
k02n2
2 v2
2 R(
)
0
Bessel函数
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光纤的物理光学分析—导模的解
根据Z(z)、 、R r 的表达式，得出导模的解：
Ez1 C1C2e iv e j zJv
个独立的方程：
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光纤的物理光学分析—场方程
1 Z
2Z(z) z 2
2
1
2( 2
)
v2
光沿z向传播，考虑无穷远处场有限
圆柱对称性，稳定的电磁场沿φ向的 分布必须是以2π为周期的函数【即正 弦或余弦函数(虚指数函数】
Z z C1ei z
C2eiv
r2
2 R( r ) r 2
r
R(r) r
R(r
)
k02n2 2
r2 v2 0
2 k02n2 2 r2 s2r2
2
d 2R( d 2
)
dR( d
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2015-11-10【17】
光纤的结构参数—数值孔径
数值空间（N.A）光纤可能接受外来入射光的最大受光角(φ 0max)的正
弦与入射区折射率的乘积.
全反射要求：1
c
sin1
n2 n1
2
n0 sin0max n1 sin 90 c
原料丰富，节约金属
光 纤 极易断裂
的 弯曲能力差 缺 点 切断与接续要求高
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《光电子技术》● 第四章 光波导原理
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光纤的基本知识—光纤的结构
纤芯和包层仅在折射率 等参数上不同，结构上 是一个完整整体
涂覆层的主要作用 是为光纤提供保护
芯层: SiO2+Ge+F 包层: SiO2+F 内涂覆层:丙烯酸树脂 外涂敷层:丙烯酸树脂
在圆柱坐标系中波动方程为
1 r
r
r
Ez ( , r, z) r
1 r2
2Ez ( , r, z) 2
2Ez ( , r, z 2
z)
k02n2Ez ( , r,
z)
0
采用分离变量法，令 Ez Rr Z z ，则上式可化为三
n1 cosc n1
1
n2 n1
n12 n22
于是得 N . A. n0 sin0max n12 n22
N.A.代表光纤接收入射光的能力，只
有 max的光锥内的光才可能在光
纤中发生全反射而向前传播.
对于波长 1.55μm 处典型
值n1 1.46 ，n2 1.455 ，可算得 N .A. 0.12
光纤一般分为三层：中心高折射率玻璃芯（芯径一般为50或 62.5μm），中间为低折射率硅玻璃包层（直径一般为125μm）， 最外是加强用的树脂涂层.
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光纤的基本知识—光纤的优缺点
传输介质 对绞线
带宽 6 MHz
衰减系数 中继距 抗电磁干 尺寸与 dB/km 离km 扰性能 重量
n1
n2
纤芯
包层 Φ125μm
通信光纤基本结构
涂覆层 Φ250μm
无论何种光纤，其包 层直径都是一致的
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光纤的基本知识—光纤的分类
按光纤折射率分布分：
阶跃折射率光纤；渐变折射率光纤
按光纤传输模式分：
单模光纤: 芯径约10微米, 光在其中几乎沿轴向传输，传输带宽10GHz. 多模渐变型光纤: 芯径约50微米，光的传输轨迹近似为正弦型，传输带
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《光电子技术》● 第四章 光波导原理
2015-11-10【17】
光纤的物理光学分析—模式分析
当ν =0时【子午光线】，可以得到两套独立的分量:一套是Hz、Hr、 Eφ，Z向上只有H分量，称为TE模; 一套是Ez、Er、Hφ，Z向上只 有E分量，称为TM模.
ν ≠0【偏射光线】，Z向上既有Ez分量，又有Hz分量，称之为混合 模. Z向上的Ez分量比Hz分量大，称为 EHνμ模, 若Z向上的Hz分量比 Ez分量大，称为 HEνμ模.
两散焦面之间光波按驻波分布，其 外场沿径向按指数衰减.
入射角θ1越大，内焦面越逼近外焦 面【θ1=90o 时,两焦面重合】.
光纤端面光线入射面与圆柱面相切， 光纤中的传导光线为一条与圆柱面 相切的螺线.
散焦面
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圆柱介质波导中的偏射光线
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2015-11-10【17】
ν是贝塞尔函数的阶数，称为方位角模数，它表示纤芯沿方位角φ 绕一圈场变化的周期数; μ是贝塞尔函数的根按从小到大排列的序 数，称为径向模数，它表示从纤芯中心（r=0）到纤芯与包层交界 面（r=a）场变化的周期数.
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光纤的物理光学分析—场分布
光纤的物理光学分析—场方程
假设光纤为无限长圆柱系统，芯区半径a ，折射率n1；包层沿径向延伸 至无限远【 r→∞，这一假定主要是考虑到实际的导波模的包层内的场随 r的增加迅速衰减，“看”不到包层的外边界】，折射率n2（<n1 ） ； μ1=μ2=μ0，无损.
Ez满足的波动方程为
2Ez ( x, y, z) k02n2Ez ( x, y, z) 0
k2
i
2
Ez r
0
r
Hz
E
k2
i
2
r
Ez
0
Hz r
Hr
k2
i
2
Hz r
r
Ez
H
k2
i
2
r
Hz
Ez r
将Ez、Hz代入，并考虑边界连续条件，得到导模本征方程(色散方程)：
s1r
AJ v
u a
r
e
iv
e
i
z
Hz1
BJ v
u a
r
z
r a
Ez2
CKv
w a
r
e
iv
e
i
z
Hz2
DKv
w a
r
e
iv
e
i
z
r a
式中 A C1C2
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光纤的射线光学分析—子午光线
平板波导：光轨迹在一个平面内，只要用界面入射角θ就能描述 光线的方位.
光纤：光线可能通过波导轴线(子午光线)而在同一平面内传播， 也可不通过轴线(偏射光线)在不同的平面内传播【光线与界面法 线夹角θ，与轴线夹角φ】.
子午光线：入射角通过圆柱轴线，且大于临界角时，光将在柱面 上不断发生反射，形成曲折光线，传导光线的轨迹始终处于入射 光线与轴线决定的平面(子午面)内.
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光纤芯中的子午光线
《光电子技术》● 第四章 光波导原理
2015-11-10【17】
光纤的射线光学分析—偏射光线
入射光线不通过圆柱波导轴线时，传导光线按空间折线传播，称偏射光线. 偏射光线的端截面投影被完全被限制在两个共轴圆柱面【散焦面】间.