光波导理论2012-1
合集下载
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---第一讲
模式理论新应用 @2007OE
@2009 OSA A
芯的排列/数量组合
Tomáš Čižmár and Kishan Dholakia Optics Express, Vol. 19, Issue 20, p p. 18871-18884 (2011)
“光纤之父”----高锟博士 2009 诺贝尔 奖获得者
∗ 园截面介质光波导中场分布模式的 理论和实验研究也由E.Snitzer等在 1961年发表. ∗ 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 全部辐射能量的总和
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
光纤是信息时代的基础
∗ 美研制出硒化锌光纤 可使军用激光雷 达效率更高。 ∗ 硒化锌光纤却可以传送波长为15微米的 光 ∗ /2011/0301 /14847.html
光纤激光器
激光攻击导弹
天文观测 基准星
微纳光纤
∗ 寂寞了二十多年的“集成光学 集成光学”的概念重又受到人 集成光学 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。 ∗ Kaminow I. P. Optical Integrated Circuits: A Personal Perspective.[J]. Lightwave Technology, Journal of, 2008, 26(9): 994-1004.
光波导理论与技术
境监测、医疗诊断等领域得到广泛应用。
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。
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
DWDM业务：想要构建属于自己的光纤网络的独立 运营商，可以结合使用WDM与FSO来完成部分链路 的传输，以节省光纤租赁费用。
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。
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
光波导理论2012-1
• 教材及主要参考书目 • 教材：
– 光波导理论与技术，李玉权 崔敏，人民邮电出版社，2002
• 参考书：
– – – – – – – 《Integrated Optics: Theory and Technology》 ， sixth Edition, R.G.Hunsperger, Springer Verlag, 2009 介质光波导及其应用, 秦秉坤等, 北京理工大学出版社，1991 光波导技术理论基础, 叶培大等, 北京邮电大学出版社,2002 《Optical Integrated Circuits》 ， Hiroshi Nishihara, Masamitsu Haruna, Toshiaki Suhara，McGraw-Hill Professional, 1989 集成光学， 蔡伯荣主编 电子科技大学出版社出版，1998 徐国昌,《光电子物理基础》[M].东南大学出版社:2000. 光波导模式理论，马春生、刘式墉，吉林大学出版社科学技术手段。
平板波导几何光学分析 2012年2月
The first integrated circuit
• His idea founded a new industry
• Has Nobel price in physics year 2000
平板波导几何光学分析 2012年2月
平板波导几何光学分析 2012年2月
3.集成光学的定义
• (1)集成光学是在光电子学和微电子学基础 上，采用集成方法研究和发展光学器件和 混合光学－电子学器件系统的一门新的学 科。 • (2)集成光学是研究介质薄膜中的光学现象， 以及光学元器件集成化的一门学科。 • (3)集成光学是研究集成光路特性和制造技 术以及与微电子学相结合的学科。 平板波导几何光学分析 2012年2月
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
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。
《光波导理论教学课件》
光波导的损耗
光波导在传输过程中会有一定的损耗。减小 损耗是提高光波导性能的重要任务。
光波导的参数
模式场分布
光波导中的光信号可以以不同的 模式传播。模式场分布描述了光 信号在波导中的空间分布。
色散和群速度
光波导中的色散和群速度是表征 光信号传输特性的重要参数。色 散影响信号传输质量，群速度影 响传输速度。
光波导理论教学课件
欢迎大家来到《光波导理论教学课件》。本课程将为您介绍光波导的基本概 念、结构、传输特性、参数、应用以及未来发展。让我们一起探索这项令人 惊叹的领域！
简介
光波导的定义
光波导是一种用于传输和控制光信号的结构。它基于光的全内反射原理，使光能在其内部进 行传播。
光波导的分类
光波导可以根据其结构和材料的不同进行分类。常见的分类包括单模光波导和多模光波导。
光波导的带宽
光波导的带宽决定了其传输信号 的容量。提高光波导的带宽对于 扩大传输能力至关重要。
光波导的应用
光通信
光波导在光通信领域有广泛应 用。它可以实现高速、远距离 和大容量的光信号传输。
光计算
光波导在光计算中的应用正在 得到越来越多的关注。它具有 并行计算、低功耗和大规模计 算的优势。
光传感
光波导在光传感中发挥着重要 作用。它可以实时监测环境变 化、生物指标等，并具有高灵 敏度和快速响应。
光波导的层次结构
光波导可以根据其层次结构进行设 计。不同的层次结构可以影响光的 模式传播和参数。
光波导的传输特性
1
正向和反向传输
2
光波导可以实现正向和反向传输。正向传输
用于将光信号从发射端传输到接收端，反向
传输可用于监测传输质量。
3
光波导中的光传输
光波导在传输过程中会有一定的损耗。减小 损耗是提高光波导性能的重要任务。
光波导的参数
模式场分布
光波导中的光信号可以以不同的 模式传播。模式场分布描述了光 信号在波导中的空间分布。
色散和群速度
光波导中的色散和群速度是表征 光信号传输特性的重要参数。色 散影响信号传输质量，群速度影 响传输速度。
光波导理论教学课件
欢迎大家来到《光波导理论教学课件》。本课程将为您介绍光波导的基本概 念、结构、传输特性、参数、应用以及未来发展。让我们一起探索这项令人 惊叹的领域！
简介
光波导的定义
光波导是一种用于传输和控制光信号的结构。它基于光的全内反射原理，使光能在其内部进 行传播。
光波导的分类
光波导可以根据其结构和材料的不同进行分类。常见的分类包括单模光波导和多模光波导。
光波导的带宽
光波导的带宽决定了其传输信号 的容量。提高光波导的带宽对于 扩大传输能力至关重要。
光波导的应用
光通信
光波导在光通信领域有广泛应 用。它可以实现高速、远距离 和大容量的光信号传输。
光计算
光波导在光计算中的应用正在 得到越来越多的关注。它具有 并行计算、低功耗和大规模计 算的优势。
光传感
光波导在光传感中发挥着重要 作用。它可以实时监测环境变 化、生物指标等，并具有高灵 敏度和快速响应。
光波导的层次结构
光波导可以根据其层次结构进行设 计。不同的层次结构可以影响光的 模式传播和参数。
光波导的传输特性
1
正向和反向传输
2
光波导可以实现正向和反向传输。正向传输
用于将光信号从发射端传输到接收端，反向
传输可用于监测传输质量。
3
光波导中的光传输
《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：
光波导理论与技术讲义(总结)
生物传感器
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。
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1
研究生课程作业封面课程名称：光波导技术基础学生姓名：王斌学号：sc12038069 年级：2012级刚开始接触光波导，在前两节课中，通过老师的讲解对光波导的理论进行了简单的了解。
在课后的时间中，查阅相关的文献，对光波导领域中，波导激光器和集成光学的内容挺感兴趣。
查阅了几篇文献，通过读文献，对波导激光器和集成光学有了一点基本的了解。
这里，写一下感兴趣的综述，作为读文献的收获。
我的了解比较浅显，没能很深入，还需要进一步的进行学习和研究。
光波导技术及涉及到的波导激光器一些综述1.波导的基本介绍波导作为信号传播的通道和器件的连接装置，是集成光学的重要组成部分，大多数的集成光学元件都是以波导为基础的。
波导从结构上来讲，是一个被低折射率介质包围的高折射率区域，基于全反射原理光被限制在一个微米量级的传输区域内。
通过上了两次课，老师的讲解，对波导的基本的知识，也有了大概的了解和理解，还在学习中。
这里就不再进行介绍了，在课余时间对理论知识看了一些。
1.1 波导的结构和分类波导是一个高折射率的区域，它的四周的介质低于内部的折射率，以满足全反射的条件。
光通过在这种满足全反射条件的介质中传播，发生全反射以“z”字型来传播。
根据对光维数限制的情况，波导可以分类为一维波导和二维波导。
一维波导又称平面波导（如下图a所示），一维波导是由表面覆盖层、波导层、基质层三层折射率不同的介质层构成，满足全反射的折射率条件，覆盖层和衬底层的厚度比波导层的厚度要大的多，光线只受垂直方向（x）的限制。
二维波导是对腔内的光线进行x和z方向限制的波导。
根据波导四周的介质情况，又可以分类为脊型波导、埋层型波导和表面型波导（如上图b所示）。
其中，埋层型波导和表面型波导就是传统意义的条形波导。
有三个面与空气介质相接触，与基质材料相接触的有一个面，这种波导结构是脊型波导。
其中，不和空气介质相接触，只和基质介质接触的波导结构，是埋层型波导。
在基质材料之中制备波导，但是只有一个面与空气相接触的波导结构，是表面型波导。
光波导理论
2e
x 2d
d
2
dEy ( ) d
( 2 4w 2 ) E y ( ) 0
x0
这是典型的2w阶Bessel方程，解为 J2w() 和 J-2w()。
光波导理论与技术 2012年3月
Jn(x)
J0(x)
3.831
J1(x)
2.405
x
后者在 =0(x) 时发散，舍去。要求 w 为实数， 否则，方程无意义。
光波导理论与技术 2012年3月
考虑n(x)，仅随x变化，而且， (x)=ro= n2(x)o， 可以推得在折射率随x变化的介质中，波动方程
d 2 E x ( x ) d E x ( x ) dn2 ( x ) 2 2 2 [ ] [ n ( x ) k ]E x ( x ) 0 0 2 2 dx dx n ( x ) dx
d 1 J n ( z ) [ J n1 ( z ) J n1 ( z )] dz 2
x qx [ AJ 2 w ( 2e 2 d )] [ Be ] x 0 x 0 x qx [ AJ ( 2e 2 d )] [ Be ] 2w x 0 x 0 AJ 2 w ( 2 ) B A [ J 2 w 1 ( 2 ) J 2 w 1 ( 2 )] 2dqB
n1sin1= n2sin2
n1 > n2，2 >1 n2sin2 = n3sin3 n2 > n3，3 >2
……
n(x) x
1 2 3 4
n1 n2 n3
Z
A
光波导理论与技术 2012年3月
n(x)
x x1 x1, x2, x2
- 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)。
“集成”成为了一种潜力难以估量的科学技术手段。
平板波导几何光学分析 2012年2月
The first integrated circuit
• His idea founded a new industry
• Has Nobel price in physics year 2000
平板波导几何光学分析 2012年2月
2.集成光学概念的提出
• 集成光学的概念是1969年美国贝尔实验室的Miller博士提
出 的 (Integrated Optics: An Introduction, Bell System Technical Journal, 1969, 48:2059~2061)
• 集成光学发展初期，美国华裔科学家田柄耕假借集成电路 的概念，对集成光学归纳了三条定义：（1）光束能限制 在光波导中传播；（2）利用光波导可以制成各种光波导
6 成批制造的前景和经济性 7 改善可靠性
8 改善光学连接及对准的稳定性和可靠性，避免
由于震动带来的系统不稳定或失败
9 降低成本（制造、应用、维护、升级）
平板波导几何光学分析 2012年2月
光元器件与电子元器件的特性比较
光元器件 特征项 (a)基本作用 光波导中的光传输及光与 衬底表面附近的电子传 电子/晶格的相互作用 输与控制 光波导，半导体激光器等 晶体管、电阻、电容 电子元器件
平板波导几何光学分析 2012年2月
平板波导几何光学分析 2012年2月
1.3.2发展新特点
• (1)集成光学已从实验室走向生产阶段，从初期的纯波导理论
研究进入集成光学器件和集成光路的设计、制作研究阶段。
• (2)已从单一的玻璃或铌酸锂材料发展到今天的多种材料，特
别是硅基和聚合物基材料的开发为集成光学进入工程应用打 下了基础。
器件；（3）将光波导和光波导器件集成起来可构成有特 定功能的集成光路
• 目前，“集成光学”的概念涵盖广泛的内容。
平板波导几何光学分析 2012年2月
• 按集成的方式划分：个数集成和功能集成 • 按集成的类型划分：光子集成回路（PIC）和光电子集成
回路（OEIC）
• 按集成的技术途径划分：单片集成和混合集成 • 按研究内容划分：导波光学和集成光路
平板波导几何光学分析 2012年2月
集成光路的优点
1 光波导具有非常宽的带宽 2 光子器件中光子运动速度比电子器件中电子高
得多，而且没有导线电容和电感对频率的限制 信号，即实现“波分多路复用”
3 在同一光路上可以传输和处理多个或多频率的
4 在空间上可以实现一维或二维以致三维立体的
多路阵列传输及存储、处理 5 较小的尺寸、重量，较低功耗
§1.2 集成光学的特点
平板波导几何光学分析 2012年2月
1.2.1 集成光学系统与离散光学器件系统的比较
• (1)光波在光波导中传播，光波容易控制和保持其能量。
• (2)集成化带来的稳固定位。 • (3)器件尺寸和相互作用长度缩短；相关的电子器件的工作电 压也较低。
• (4)功率密度高。沿波导传输的光被限制在狭小的局部空间， 导致较高的功率密度，容易达到必要的器件工作阈值和利用非 线性效应工作。
平板波导几何光学分析 2012年2月
光 波 导 理 论
－导波光学 （～20学时）
汪平河
光电学院416房间 电话83205564
wphsci@
平板波导几何光学分析 2012年2月 绪论
集成光学概论
1.1 集成光学的概念 1.2 集成光学的特点
1.3 集成光学的发展和现状
1.4 研究集成光学的意义
平板波导几何光学分析 2012年2月
§1.1 集成光学的概念
1. 集成电路(integrated circuit, IC)
1947年，贝尔研究所的肖克利（Shockley）、巴丁 （Bardeen）、布拉顿（Brattain）发明晶体管 1957年，得克萨斯仪器公司的基尔毕(Kirby)发明集成电路 2006年，被集成的晶体管个数达到两亿个；今年，美国 英特尔集成了23亿个晶体管（目前最高水平）。
2003年，科学家开发出制备纳米线的新方法。纳米线提供 了尺度远远小于光波长的导光结构，它与有关纳米尺度的 微腔和激光器的技术配合，可望用于制作各种纳米光集成 器件。
目前，集成光学主要是研究和开发光通信、光学信息处理、 光子计算机和光传感等所需要的多功能、稳定、可靠的光 集成体系和混合光电集成体系等。
器、半导体光放大器和集成光源不断涌现，为集成光学长远 的发展奠定了基础。
平板波导几何光学分析 2012年2月
1970年研制成功了低损耗光纤，目前光纤的传输损耗已经
降低到了0.2dB/km以下。
1972年，Somekh和Yariv提出了在87年，Yablonovitch和John大约同时提出了光子晶体 （photonic crystal, PC）的概念。
光子计算机是一种全新的计算机，是以光子作为主要的信息载 体，以光子系统作为计算机的主体，以光运算作为计算机运 算方式的计算机。
• 光子计算机的优点：
(a)具有超高的运算速度 ——串行电子计算机的极限速度是1010 次/秒，而光子计算机的理论计算速度达1023次/秒，在技术上 可实现1012~1015次/秒的计算速度
光波导理论与技术
选修课 汪平河/刘永 共40学时（周二9-11节，三教102） I ： 理论 II： 技术
平板波导几何光学分析 2012年2月
教学目的
• 通过本课程的学习，要求学生：
– 了解集成光学的基本概念， – 熟练掌握光波在平板介质波导中的传输特性 – 掌握集成光波导器件的制备材料、典型结构、工 作原理及基本制备工艺过程， – 掌握光波导器件的参数测试技术， – 了解光波导技术的应用及发展现状。
• (3)以III－V族半导体为衬底的集成光学达到迅猛发展。 • (4)目前集成光学已进入实质的工程应用，光通信和光信息处 理是集成光学两大类重要应用领域。
平板波导几何光学分析 2012年2月
平板波导几何光学分析 2012年2月
1.3.3 集成光学国际研究进展
主要集中在理论与器件两个方面：
1. 理论研究热点主要集中在以下两个方面：
4. 从四个方面理解集成光学的概念：
• (a)理论基础：光学和光电子学 • (b)工艺基础：薄膜技术、微电子工艺 • (c)主要目的：实现光学系统的薄膜化、微 型化和集成化 • (d)主要应用：光纤通信、光子计算机、光 纤传感、光学信息处理等
平板波导几何光学分析 2012年2月
集成光学主要应用（一）——光纤通信 • 1.光纤通信
平板波导几何光学分析 2012年2月
3.集成光学的定义
• (1)集成光学是在光电子学和微电子学基础 上，采用集成方法研究和发展光学器件和 混合光学－电子学器件系统的一门新的学 科。 • (2)集成光学是研究介质薄膜中的光学现象， 以及光学元器件集成化的一门学科。 • (3)集成光学是研究集成光路特性和制造技 术以及与微电子学相结合的学科。 平板波导几何光学分析 2012年2月
(b)具有超并行性工作的能力
平板波导几何光学分析 2012年2月
集成光学主要应用（三）——光纤传感
• 光纤传感器具有抗电磁干扰和原子辐射、重量轻、 体积小、绝缘、耐高温、耐腐蚀等众多优异的性 能，能够对应变、压力、温度、振动、声场、折 射率、加速度、电压、气体等各种参数进行精确 测量，能够适应极端恶劣的环境。同时，由于光 纤传输损耗低、频带宽，使得光纤传感器在组网 和传输距离方面，与传统的传感器相比具有无可 比拟的优势。
平板波导几何光学分析 2012年2月
经过40年的发展，集成光学不再是当初把几 个光学器件集成在一起的简单概念，而是一 个集光学、激光、微电子学、光电子学、通 信、薄膜技术等为一体的独立的交叉学科， 是当今光学和光电子学领域的发展前沿之一，
是光学发展的必由之路和高级阶段。
平板波导几何光学分析 2012年2月
(f)元器件可靠性 (g)元器件制造工艺
§1.3 集成光学的发展和现状
1.3.1 发展简史
1962年开发出了第一个半导体同质结激光二极管，但其效率 较低，阈值电流较大，不能在室温下连续工作。
1967年异质结外延生长技术的出现，拉开了半导体激光器实 用化的序幕。 1969年，S. E. Miller提出“集成光学”概念 1970年实现了激光二极管的室温连续工作。此后，分布反馈 式和分布布拉格反射器式激光器、量子阱和应变量子阱激光 器、垂直腔面发射激光器、半导体激光器阵列等半导体激光
• 教材及主要参考书目 • 教材：
– 光波导理论与技术，李玉权 崔敏，人民邮电出版社，2002
• 参考书：
– – – – – – – 《Integrated Optics: Theory and Technology》 ， sixth Edition, R.G.Hunsperger, Springer Verlag, 2009 介质光波导及其应用, 秦秉坤等, 北京理工大学出版社，1991 光波导技术理论基础, 叶培大等, 北京邮电大学出版社,2002 《Optical Integrated Circuits》 ， Hiroshi Nishihara, Masamitsu Haruna, Toshiaki Suhara，McGraw-Hill Professional, 1989 集成光学， 蔡伯荣主编 电子科技大学出版社出版，1998 徐国昌,《光电子物理基础》[M].东南大学出版社:2000. 光波导模式理论，马春生、刘式墉，吉林大学出版社，2006
平板波导几何光学分析 2012年2月
教学内容
• • 第一章：集成光学概论 第二章：导波光学理论 – 第一节 平板光波导的射线光学分析（4学时） – 第二节 平板光波导的波动方程分析（4学时）