光波导的一些基本概念
导波光学
光线通过内全反射被束缚在中心薄膜之中。只有当n2和n3都
小于n1时，才会发生内全反射。
电介质波导 （n1>n2,n1>n3)
衬底界面上的临界角为
n2 sin c .......... .......... ...... 4.1 n1
1
0 n3
麦克斯韦方程
H D t r r E B t r D r B r r
无源波动方程
若 Maxwell 方程组中电荷源和电流源为 0 ， 则 B D E ; H t t B 0 有 D 0 ;
导波光学理论
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
薄膜波导（平板波导） 矩形波导（条形波导） 园柱波导（光纤） 对称与非对称波导
平板波导
n3 n1 n2
矩形波导
脊型波导
PIC: Photon
OEIC: Optoelectronic MCVD: Modified MOCVD:
Metal Oxide chemical vapour deposit Phase Epitaxy
MBE:
Molecular Beam Epitaxy
LPE: Liquid
PCVD: Plasmon chemical vapour deposit
光波导技术的广阔应用领域
光波导技术
信息获取
信息传输
信息处理
其它应用
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
光栅光波导
光栅光波导一、光栅光波导的基本概念光栅光波导是一种利用光栅结构来实现光波导的器件。
在光栅光波导中，通过在介质中引入周期性折射率变化的结构，使得该介质中存在了一系列的模式，这些模式能够将入射的光线引导到特定方向上传输。
因此，可以将其看作是一种具有特殊传输性质的波导器件。
二、光栅结构的原理1. 光栅结构的定义在物理学中，所谓“光栅”指的是由若干平行且等距离排列的透明或不透明条纹组成的结构。
其中，透明条纹和不透明条纹之间交替出现，并且宽度相等。
这样的结构被称为“衍射光栅”。
2. 光栅衍射原理当平行入射于衍射光栅上时，由于其周期性结构会对入射光进行反射、折射、透过、干涉等多种物理作用，从而使得出射的光束呈现出特定方向和强度分布。
3. 具有周期性折射率变化的光栅结构在光栅光波导中，采用了具有周期性折射率变化的光栅结构。
这种结构可以通过在介质中引入周期性的折射率变化来实现。
当入射波与该结构相互作用时，它会被分解成不同的频率和方向，并且这些分量会沿着特定方向传播。
三、光栅光波导的工作原理1. 入射波与光栅相互作用当入射波与光栅相互作用时，由于其周期性结构会对入射波进行反射、折射、透过、干涉等多种物理作用，从而使得出射的光束呈现出特定方向和强度分布。
2. 具有周期性折射率变化的光栅结构在光栅光波导中，采用了具有周期性折射率变化的光栅结构。
这种结构可以通过在介质中引入周期性的折射率变化来实现。
当入射波与该结构相互作用时，它会被分解成不同的频率和方向，并且这些分量会沿着特定方向传播。
3. 光栅光波导的传输特性由于光栅光波导中的光束具有特定的方向和强度分布，因此可以将其用作分光器、滤波器、耦合器等器件，用于实现光信号的控制和调制。
四、应用领域1. 通信领域在通信领域中，光栅光波导被广泛应用于实现滤波器、耦合器、分路器等功能。
这些器件可以用于调制和控制光信号的传输，从而实现高速数据传输。
2. 生物医学领域在生物医学领域中，利用光栅光波导可以实现生物分子检测、细胞成像等功能。
光波导基础及其常用器件
(8-2)
(8-2)变为 方程通解为
Ey E(x)exip z)(
[x22k02n2(x)2]Ey 0 k0 200
E y A ei x k 0 2 n p 2 (2 x ) B ex ik 0 p 2 n 2 (2 x )
由于相位跃变依赖于，那么很显然，一个m值对应一组满足以上条件的
m和m，那么便得到光波可以在波导传播的条件，称为波导条件。
2n1(2a)com s) (mm
当光频一定时，一个m值对应于一个入射角m，称满足波导条件的光波为波 导的传播模。
以上得到波导条件没有考虑光波具有一定的空间分布，而只是简化为光线，以 下考虑量任意平行的光线入射的情况，同样可以得到以上波导条件。
1e ex x 0 p p 1 1a a][][ B B A 3 2 2 0
(8-10)
方程有解，以上行列式必须为零，从而得到传播常数的本征方程
1 c 2 a ) o 2 s 2 a s ) i 2 c n ( 2 a ) o 1 s (2 a s ) i 0 n ((8-1( 1)
(8-9)
改写成矩阵形式为
exp1a][ exip 2a []
exip 2a][
0 A 1
1exp1a][
0
0
i2exip 2a [] exip 2a][
i2exip 2a][
i2exip 2a][ exip 2a []
i2exip 2a []
H ,H t2H t3
(8-8b)
对称的平面波导－波动理论
Symmetry Planar Dielectric Slab Waveguide
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。
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。
光子晶体和光波导问题
光子晶体和光波导问题光子晶体和光波导是光学领域中非常重要的研究方向。
光子晶体是一种由周期性结构构成的光学材料，具有禁带结构和光子带隙，可以对光进行控制和调制。
光波导是一种用于在光学器件中引导光传播的结构，能够实现高效的光子传输和控制。
本次文章将对光子晶体和光波导的基本概念、原理、应用及挑战进行探讨。
首先，光子晶体是一种具有周期性的介质结构，其周期性可以用来调制光的传播。
光子晶体中的周期性结构可以通过调整晶格常数、介电常数或形状等来实现。
光子晶体的独特之处在于其禁带结构和光子带隙。
光子晶体的禁带结构意味着在特定频率范围内，光无法传播或仅限制在光子晶体内部传播。
而光子带隙则是指在禁带结构中，光的传播受到约束，而只允许在特定频率范围内的光传播。
这些特性使得光子晶体在光学通信、传感、光子集成电路等领域具有广泛的应用前景。
其次，光波导是一种用于引导和操控光信号传播的结构。
光波导通常由两个不同折射率的材料之间的界面构成，通过折射率差异来实现光的传导。
光波导中的光信号可以通过总反射或穿透方式在波导内部传输，并可以在波导交叉口或结构变化处实现光的分叉、耦合和调制。
光波导具有高传输效率、小尺寸、低损耗和完全电磁隔离等优点，因此在光子学、光通信、传感和光子计算等领域得到广泛应用。
光子晶体和光波导的相结合可以实现更加复杂和高效的光学器件。
将光子晶体和光波导相结合可以利用光子晶体的禁带和带隙结构来调制光波导中的光信号，从而实现光信号的分离、调制、操控和耦合等操作。
由于光子晶体的特殊禁带结构，光波导中的光信号可以在光子晶体中受到限制或增强，从而实现高效的光控制。
光子晶体和光波导的相结合既可以用于基础研究，也可以应用于光器件的设计和制造。
在实际应用中，光子晶体和光波导面临着一些挑战。
首先，制备复杂的光子晶体和光波导结构需要高精度的加工和制备技术。
特别是对于高维结构或大尺寸的光子晶体和光波导，制备过程更加困难。
其次，光子晶体和光波导中存在光子损耗和自相互作用等问题。
超材料光波导设计及其在通信传输中的应用研究
超材料光波导设计及其在通信传输中的应用研究随着通信技术的发展，信息传输和处理的速度需求不断提高，光通信作为一种高速、大容量、低损耗的通信方式，越来越受到人们的关注。
而超材料的出现则为光通信的进一步发展提供了新的空间。
超材料光波导是一种重要的超材料应用，本文将围绕超材料光波导的设计及其在通信传输中的应用展开研究。
一、超材料光波导的概念及特点超材料光波导是一种基于超材料构建的波导结构。
超材料是由体积远远小于光波长的亚波长的结构单元排列而成的，具有不同于自然材料的超过材料特性，例如负折射率、负折射率等，这使得其在光学应用领域具有独特的优势。
超材料光波导是将超材料应用到光波导设计中的一种新型光导器件。
超材料光波导与传统的光波导相比，有以下三个特点：首先是超材料光波导具有超尺度效应。
因为超材料的结构单元尺度只有亚微米，其尺度比光波导结构单元小得多，这使得超材料结构能够反映出光学微观尺度的效应，例如量子隧穿效应、原子级电介质常数变化等。
其次是超材料光波导在可见光范围内可以实现负折射率。
光波导设计中需要满足的一个基本条件就是全内反射，而要满足这个条件就必须使光线在界面处的入射角大于临界角。
然而，当介质的折射率为负数时，入射角小于临界角也能实现全反射。
最后是超材料光波导具有多带隙特性。
多带隙是指光信号在超材料光波导中能够沿多条不同的路径传输。
二、超材料光波导的设计在超材料光波导的设计中，通常有两种途径：直接使用超材料建立波导和采用微纳加工的方法，将超材料结构集成到硅基或氮化硅基的波导中。
直接使用超材料建立波导的方法，是通过选取合适的超材料单元结构，按照要求进行排列组合，形成光波导的结构。
该方法具有简单、快速的优点，但需要特殊的设备和技术，而且制作难度比较大，因而没有普遍应用。
集成超材料结构的方法，则是将已有的硅基或氮化硅基波导的表面进行微纳加工，将带有超材料效应的电磁振子结构集成进去，形成新的超材料光波导。
这种方法在实验室中应用较为广泛，且制作较为容易，可以利用现有的微纳加工技术，达到更高的制备精度。
光波导原理及器件简介
包层n 2 芯区n 1 图1. 三层平面介质波导 图2. 矩形波导 图3. 圆光波导图4. 椭圆光波导光波导原理及器件简介摘要：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，而导波光学理论是光通信技术的基础，同时也是集成光学、光纤传感等学科的基础。
本文简述了光波导的原理，并着重介绍光波导开关。
关键词：光波导，波导光学，平面光波导，光波导开光1.引言1.1光波导的概念波导光学是一门研究光波导中光传输特性及其应用的学科。
以光的电磁理论和介质光学特性的理论为基础，研究光波导的传光理论、调制技术及光波导器件的制作与应用技术。
导波光学系统是由光源、光波导器件、耦合器、光调制器及光探测器等组成的光路系统。
光波导是将光波限制在特定介质内部或其表面附近进行传输的导光通道。
简单的说就是约束光波传输的媒介，又称介质光波导。
介质光波导的三要素是：“芯/包”结构，凸形折射率分布（n1>n2），低传输损耗。
光波导常用材料有：LiNbO3、Si 基（SiO2、SOI ）、Ⅲ-Ⅴ族半导体、聚合物等。
1.2光波导的分类按几何结构分类，光波导可分为：平面（平板）介质波导，矩形（条形）介质波导，圆和非圆介质波导。
按波导折射率在空间的分布分类，光波导可分为：非线性光波导（n=n(x,y,z,E)），线性光波导（n=n(x,y,z)）。
线性光波导又可分为：纵向均匀（正规）光波导（n=n(x,y)），纵向均匀（正规）光波导（n=n(x,y)）。
2.光波导的原理简介一种为大家所熟知的介质光波导就是通常具有圆形截面的光导纤维，简称为光纤。
然而，集成光学所注重的光波导往往是平面薄膜所构成的平板波导和条形波导，这里，我只讨论平面光波导。
最简单的平板波导由三层材料所构成，中间一层是折射率为 n1的波导薄膜，它沉积在折射率为 n2的基底上，薄膜上面是折射率为 n3的覆盖层，一般都为空气。
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。
光子晶体与光波导
光子晶体与光波导光子晶体与光波导是光子学领域中两个关键概念，它们在光学器件的设计与应用中具有重要作用。
光子晶体是一种具有周期性折射率分布的材料，它通过光子之间的布拉格散射来调控光的传播。
而光波导则是一种用于在光学器件中引导光传播的结构。
一、光子晶体光子晶体是一种周期性变化折射率的材料，其结构类似于晶体学中的晶格。
它通过周期性的折射率分布，在特定的频率范围内形成禁带（光子禁带），使禁带内的光无法传播。
而禁带之外的光则可以在光子晶体中传播。
光子晶体可以根据其周期性分布的不同，分为一维、二维和三维光子晶体。
1. 一维光子晶体一维光子晶体是最简单的光子晶体结构。
它具有周期性的折射率变化，常见的例子是光纤光栅。
一维光子晶体通过周期性的折射率变化，可以在特定的频率范围内抑制光的传播，形成光子禁带。
这使得一维光子晶体在光滤波、光调制和光传感等领域中得到广泛应用。
2. 二维光子晶体二维光子晶体是由周期性排列的柱状或球形结构组成的。
它的周期性分布使得特定频率的光无法传播，形成二维光子禁带。
二维光子晶体可以通过调控结构尺寸和材料折射率来改变光子禁带的频率范围。
二维光子晶体在激光器、光波导和光传感器等领域中有着重要的应用。
3. 三维光子晶体三维光子晶体是一种具有立体结构的光子晶体，可以在三个空间方向上调控光的传播。
它通过周期性的结构分布，形成三维光子禁带，具有非常广阔的应用前景。
三维光子晶体在光学传感、激光器、全息成像等领域中发挥着重要的作用。
二、光波导光波导是一种用于引导光传播的结构。
它可以将光能量从一个地方传输到另一个地方，实现光的灵活控制和调制。
常见的光波导结构包括平板波导、光纤波导和光子晶体波导。
1. 平板波导平板波导是一种将光能限制在一个平面内传播的波导结构。
它通常由两个具有不同折射率的材料层组成，利用折射率的差异来引导光传播。
平板波导广泛应用于光通信和光集成电路等领域。
2. 光纤波导光纤波导是一种利用光纤结构传输光能的波导结构。
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：
光波导名词解释
名词解释光波导 光波导是一种传送能量的介质结构，所传能量的波长位于电磁频谱的红外区域和可见光区域。
实际上，用于光通信的波导是非常柔韧的光纤。
导模 即导行波的模式，能够沿导行系统独立存在的场型。
纵向传播常数 β,对于一个确定的传播模式，β是波长的函数。
截止波长/频率 导行系统中某导模无衰减所能传播的最大波长为该导模的截止波长，导行系统中某导模无衰减所能传播的最低频率为该导模的截止频率。
归一化横向模式参数W ≡，当0W =时，导波模横向完全内反射不能维持，能量不能进行有效的纵向传输，称为截止条件。
02k n β=相应的波长称为截止波长，相应的频率称为截止频率。
归一化频率0V k ≡ρ是光波导的横向特征尺寸，002k πλ=是自由空间波数。
光波导的V 越高，横向尺寸相对于波长越长，其中能容纳的导波模也越多。
矢量模 选用圆柱坐标系即t r tr e e e h h h ϕϕ=+⎧⎪⎨=+⎪⎩，这套坐标系下得到的模式，可与光纤边界形状（圆）一致，称为矢量模。
标量模 选用直角坐标系即t x y tx y e e e h h h =+⎧⎪⎨=+⎪⎩，这套坐标系下得到的模式，各分量具有固定的偏振（极化）方向，称为线偏振模（极化模），简称LP 模，又称为标量模。
单模/多模光纤 只能传输基本模式11HE 或01LP 的光纤称为单模光纤，能同时传输很多模式的光纤称为多模光纤。
弱导近似 折射率的变化量不大，12n n ≈。
入射光基本上与z 轴平行，场的轴向分量极弱，可近似看作TEM 波。
即标量近似，也称弱导近似。
简并 导行系统中不同导模的传播常数β相同，称模式简并。
本征值方程 []22222122211J K k J k K U W ννννβν⎡⎤⎡⎤+=++⎣⎦⎢⎥⎣⎦()()'1J U J U J U ννν=，()()'1K W K W K W ννν=其中，U =W =101k k n =，202k k n =，()J r ν、()K r ν分别表示第一类贝塞尔函数和第二类修正贝塞尔函数，()'J U ν、()'K W ν分别表示()J U ν或()K W ν对U 或W 的导数。
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。
光波导
TM : le TE : le
3.单模传输与模式数量
在同一波中, TE模的截止波长最长,称基模.如
果波导中,仅基波允许传输,称为单模传输,条件
为
le (TM0 ) l0 le (TE0 )
单模传输条件破坏后,波导中可多模传输,其传播 的模数为:
2 l
n12 n22 d m 3
d
(tg1
1
tg
) sin1
BC d
c os1
BC BC 2d cos1
2k0n1 cos1d 22 23 2m
tg IE
n
2 1
sin 2
1
n2 2
n1 cos1
tgTM
n12 n2 2
n12 sin 2 1 n22 n1 cos1
2.非对称平面光波导和截止波长
n3 n1 n2
n3 n1
n2
辐射模
截止波长
衬底辐射模
导模
在薄膜中， 任一界面的全反射条件破坏， 即认为导波处于截止状态，n 1 n2 n3
两界面在n12处反射，且c c12时，波导处于临界状态,
特征方程：
d
2 l0
n1 cos1
m
2
3
渐消场 n2
n1>n2
入射波
驻波
波导的等效深度
2Ze1
xe1
衬底
包层
h
xe2
2Ze2
heff h xe1 xe2
一。平面光波导
1.薄膜光波导模式的射线理论分析
• 按几何光学概念，凡是满足 c 1 900 的光 线均可在波导中 低损耗 传输。情况并非如此， 只有某些分离的 角的光线才能建起真正的有 效传播。其模式将由光波导参数方程及电磁场 方程及边界条件导出：即那些 是可以传播的.
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
平面光波导，英文缩写PLC是英文Planar Lightwave Circuit的缩写，翻译成中文为：
平面光波导(技术)。
所谓平面光波导，也就是说光波导位于一个平面内。
正如大家所熟悉的单层电路板，所有电路都位于基板的一个平面内一样。
因此，PLC是一种技术，它不是泛指某类产品，更不是分路器！我们最常见的PLC分路器是用二氧化硅(SiO2)做的，其实PLC技术所涉及的材料非常广泛，如玻璃/二氧化硅(Quartz/Silica/SiO2)、铌酸锂(LiNbO3)、III-V族半导体化合物(如InP, GaAs等)、绝缘体上的硅
(Silicon-on-Insulator, SOI/SIMOX)、氮氧化硅(SiON)、高分子聚合物(Polymer)等。
基于平面光波导技术解决方案的器件包括：分路器(Splitter)、星形耦合器(Star
coupler)、可调光衰减器(Variable Optical Attenuator, VOA)、光开关(Optical switch)、光梳(Interleaver)和阵列波导光栅(Array Waveguide Grating, AWG)等。
根据不同应用场合的需求(如响应时间、环境温度等)，这些器件可以选择不同的材料体系以及加工工艺制作而成。
值得一提的是，这些器件都是光无源器件，并且是独立的。
他们之间可以相互组合，或者和其他有源器件相互组合，能构成各种不同功能的高端器件，如：VMUX = VOA + AWG、WSS = Switch + AWG等(图2)。
这种组合就是PLC技术的未来发展方向-光子集成(Photonic Integrated Circuit, PIC
随着FTTH的蓬勃发展，PLC(Planar Lightwave Circuit,平面光路)已经成为光通信行业使用频率最高的词汇之一，而PLC的概念并不限于我们光通信人所熟知的光分路器和AWG，其材料、工艺和应用多种多样，本文略作介绍。
1.平面光波导材料
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，各种材料上制作的波导结构如图1所示，其波导特性如表1所示。
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称底，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。
2.平面光波导工艺
以上六种常用的PLC光波导材料中，InP波导、二氧化硅波导、SOI波导和聚合物波导以刻蚀工艺制作，铌酸锂波导和玻璃波导以离子扩散工艺制作，下面分别以二氧化硅波导和玻璃波导为例，介绍两类波导工艺。
二氧化硅光波导的制作工艺如图2所示，整个工艺分为七步：
1)采用火焰水解法（FHD）或者化学气相淀积工艺（CVD），在硅片上生长一层SiO2，其中掺杂磷、硼离子，作为波导下包层，如图2（b）所示；
2)采用FHD或者CVD工艺，在下包层上再生长一层SiO2，作为波导芯层，其中掺杂锗离子，获得需要的折射率差，如图2（c）所示；
3)通过退火硬化工艺，使前面生长的两层SiO2变得致密均匀，如图2（d）所示。
4)进行光刻，将需要的波导图形用光刻胶保护起来，如图2（e）所示；
5)采用反应离子刻蚀（RIE）工艺，将非波导区域刻蚀掉，如图2（f）所示；
6)去掉光刻胶，采用FHD或者CVD工艺，在波导芯层上再覆盖一层SiO2，其中掺杂磷、硼离子，作为波导上包层，如图2（g）所示；
7)通过退火硬化工艺，使上包层SiO2变得致密均匀，如图2（h）所示。
二氧化硅波导工艺中的几个关键点：
1)材料生长和退火硬化工艺，要使每层材料的厚度和折射率均匀且准确，以达到设计的波导结构参数，尽量减少材料内部的残留应力，以降低波导的双折射效应；
2)RIE刻蚀工艺，要得到陡直且光滑的波导侧壁，以降低波导的散射损耗；
3)RIE刻蚀工艺总会存在Undercut，要控制Undercut量的稳定性，作为布版设计时的补偿依据。
玻璃光波导的制作工艺如图3所示，整个工艺分为五步：
1)在玻璃基片上溅射一层铝，作为离子交换时的掩模层，如图3（b）所示；
2)进行光刻，将需要的波导图形用光刻胶保护起来，如图3（c）所示；
3)采用化学腐蚀，将波导上部的铝膜去掉，如图3（d）所示；
4)将做好掩模的玻璃基片放入含Ag+－Na+离子的混合溶液中，在适当的温度下进行离子交换，如图3（e）所示，Ag+离子提升折射率，得到如图3（f）所示的沟道型光波导；
5)对沟道型光波导施以电场，将Ag+离子驱向玻璃基片深处，得到掩埋型玻璃光波导，如图3（g）所示。
3.平面光波导的应用
铌酸锂晶体具有良好的电光特性，在电光调制器中应用广泛。
InP材料既可以制作光有源器件又可以制作光无源器件，被视为光有源/无源器件集成的最好平台。
SOI材料在MEMS器件中应用广泛，是光波导与MEMS混合集成的优良平台。
聚合物波导的热光系数是SiO2的32倍，应用在需要热光调制的动态器件中，可以大大降低器件功耗。
玻璃波导具有最低
的传输损耗和与光纤的耦合损耗，而且成本低廉，是目前商用光分路器的主要材料。
二氧化硅光波导具有良好的光学、电学、机械性能和热稳定性，被认为是无源光集成最有实用前景的技术途径。