光波导1
光波导的分类
光波导的分类
1. 平面光波导呀，就好比是一条宽敞笔直的大道，各种光信息能在上面稳稳地传输。
比如说我们手机屏幕的显示，不就是平面光波导在默默发挥作用嘛！
2. 条形光波导呢，就像一条有着特定路线的轨道，让光沿着它精准前进。
像那些光纤通信里，可不就经常用到条形光波导嘛！
3. 圆柱光波导好像一个神奇的光通道，把光环绕着引导。
你想想看，那些特殊的光传感器里不就有它的身影吗？
4. 梯度折射率光波导挺有意思的，就如同给光设置了一个奇妙的魔法场。
在一些复杂的光学系统里，它可是大显身手呢！
5. 布拉格光波导呀，就像是给光安上了一把锁，控制着光的进出。
这不，在很多光学器件的制造中可少不了它！
6. 光子晶体光波导就像是给光打造了一个梦幻的宫殿，让光在这里自由穿梭又有规矩。
很多高科技的光学实验里都会用到它哦！
7. 纳米光波导那可是超级精细的存在，像微小世界里的引路人。
在纳米级的光学应用中，它的作用可关键啦！
8. 聚合物光波导呢，就像是一块有魔力的塑料，却能很好地引导光。
一些轻便的光学设备里，就经常能看到它的贡献呀！
我觉得光波导的这些分类真是各有各的神奇和用处，共同推动着光学领域的发展呀！。
1平面光波导技术
光波导是集成光学重要的基础性部件，它能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。
平面波导型光器件，又称为光子集成器件。
其技术核心是采用集成光学工艺根据功能要求制成各种平面光波导，有的还要在一定的位置上沉积电极，然后光波导再与光纤或光纤阵列耦合，是多类光器件的研究热点.按材料可分为四种基本类型：铌酸锂镀钛光波导、硅基沉积二氧化硅光波导、InG aAsP/InP光波导和聚合物（Polymer）光波导。
LiNbO3晶体是一种比较成熟的材料，它有极好的压电、电光和波导性质。
除了不能做光源和探测器外，适合制作光的各种控制、耦合和传输元件。
铌酸锂镀钛光波导开发较早，其主要工艺过程是：首先在铌酸锂基体上用蒸发沉积或溅射沉积的方法镀上钛膜，然后进行光刻，形成所需要的光波导图形，再进行扩散，可以采用外扩散、内扩散、质子交换和离子注入等方法来实现。
并沉积上二氧化硅保护层，制成平面光波导。
该波导的损耗一般为0.2-0.5dB/cm。
调制器和开关的驱动电压一般为10V左右；一般的调制器带宽为几个GHz，采用行波电极的LiNbO3光波导调制器，带宽已达50GHz以上。
硅基沉积二氧化硅光波导是20世纪90年代发展起来的新技术，主要有氮氧化硅和掺锗的硅材料，国外已比较成熟。
其制造工艺有：火焰水解法（FHD）、化学气相淀积法（CVD，日本NEC公司开发）、等离子增强CVD法（美国Lucent公司开发）、反应离子蚀刻技术RIE多孔硅氧化法和熔胶－凝胶法（Sol-gel）。
该波导的损耗很小，约为0.02dB/cm。
基于磷化铟（InP）的InGaAsP/InP光波导的研究也比较成熟，它可与InP基的有源与无源光器件及InP基微电子回路集成在同一基片上，但其与光纤的耦合损耗较大。
聚合物光波导是近年来研究的热点。
该波导的热光系数和电光系数都比较大，很适合于研制高速光波导开关、AWG等。
采用极化聚合物作为工作物质，其突出优点是材料配置方便、成本很低。
光波导1-1
0< n(r0) cosθz(r0)<√n22－(r02/a2)n2(r0)sin2θz(r0)cos2θφ(r0)
光线 存在区域: r > rr1
子午光线运动轨迹
近轴光线：
P 2 / A
n0 A P 2 / n(r0 ) cos z (r0 )
波动光学方法
2
光线入射条件 (dr／dS) |r0 ＝sinθz(r0)sinθφ(r0) (r dφ／dS)|r0 ＝sinθz(r0)cosθφ(r0) (dz／dS)|r0 ＝ cosθz(r0)
z
ez
e
er
y
r
r0
r0 d
z z dz
dr
r0
ds
ˆ zz ˆ r rr
内外散焦面
• 倾斜光线限制在内外散焦面之间传播 • 在内外散焦面，
(ric ) (rip ) 0
a I cos 2 2 r n (r ) n
1/ 2
• 其半径ric和rip是二次方程的两个根：
a 2 g (r ) n (r ) n 2 I 0 r
n(r)
z(r)
nz1 cos z1 nz 2 cos z 2 nz 3 cos z 3 .... Const
轴向运动特点
• 相速: Vp＝ω/β＝c/ n 恒为常数 • 这说明渐变折射率分布光纤(GIOF)中的光 线沿z轴传播的速度恒定不变, 与光线的轴 向夹角θz无关,这是一个与均匀折射率分布 光纤(SIOF)完全不同的重要特点(SIOF中 不同角度的光线轴向速度不同)
n
2 1
n2(r)
光波导成像原理
光波导成像原理光波导成像是一种基于光波导技术的成像原理，它利用光波导的特性将光信号传输和成像相结合，实现高分辨率的图像获取。
光波导成像技术在医学、生物学、通信等领域具有广泛的应用前景。
光波导是一种能够导引光信号传输的结构，它通常由高折射率的芯层和低折射率的包层组成。
光信号在芯层中传输时会受到全内反射的限制，从而实现了信号的传输和控制。
光波导的芯层可以是单一材料，也可以是多层结构，这取决于所需的光学性能。
光波导成像的原理是利用光信号在波导中的传输特性，通过控制入射光的角度和位置，使其在波导内部发生多次反射和折射，最终形成一个被聚焦的图像。
这种成像原理可以实现高分辨率的图像获取，同时还能够减少光信号的衰减和干扰。
在光波导成像中，入射光信号首先通过一个透镜系统进行聚焦，然后通过光波导的芯层传输。
在传输过程中，光信号会发生多次反射和折射，从而形成一个被聚焦的图像。
为了实现更高的分辨率，可以使用多个光波导进行成像，然后将它们的图像进行叠加。
光波导成像技术具有许多优点。
首先，它可以实现高分辨率的图像获取，可以清晰地显示被观察对象的细节。
其次，光波导成像可以减少光信号的衰减和干扰，提高成像的质量和可靠性。
此外，光波导成像还可以实现非接触式成像，避免了对被观察对象的损伤。
光波导成像技术在医学领域有着广泛的应用。
例如，在内窥镜检查中，可以使用光波导成像技术实现对人体内部器官的高分辨率成像，从而帮助医生进行准确的诊断和治疗。
此外，光波导成像还可以应用于生物学研究中，用于观察细胞和组织的微观结构。
光波导成像原理是一种基于光波导技术的成像原理，通过光信号在波导中的传输特性实现高分辨率的图像获取。
光波导成像技术在医学、生物学和通信等领域具有广泛的应用前景，将为我们带来更多的科学发现和技术突破。
第4章集成光波导1-2
7
§4.2 对称平板波导中的模式
▪ 图中画出了两个波的传播因子。图中被导波的净传播方向
是在水平方向上。传播因子在这个方向上的分量为：
k sin k0n1 sin.......... .......... .....4.3
▪ 通常称之为纵向传播因子。
k0
nneeffffckk00...k..0.n..1k.s.0i.n........n. 1..s.i.n...............................................44..67
▪ 对于波导中光的传播，等效折射率是一个关键参数，正如折
射率在非导向波传播中所起的作用。
图4.3 传输模式在Z字形路径上 的一个周期。波的相位沿传输路 径以及在反射面上发生变化。
§4.2 对称平板波导中的模式
——4.2.2 TE偏振和TM偏振
▪ 处理平面边界上的反射问题时，一般将其分解成两种可能的
偏振形态：电场强度矢量垂直于入射平面和平行于入射平面。
▪ 如图yz为入射面。电场指向x轴方向对应于垂直偏振，或称为
3
§4.1 电介质平板波导
▪ 电介质平板波导的结构如图4.1。电磁波主要在中间层传播，
其折射率为n1。中间层通常很薄，一般小于一个微米，称 为薄膜。薄膜夹在折射率分别为n2和n3的敷层与衬底之间。
▪ 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。
图4.1 电介质波导 （n1>n2,n1>n3)
1
第4章 集成光波导
——在一个集成光网络中，光通过矩形电介质波导 在各个元件间传输。平板光波导在集成光学中的作 用与光纤相似，本章将研究光在平板波导中的传播 规律。学习光在平板波导中的传播特性有助于理解 光在光纤中的传播。
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。
光波导的控制方案
光波导的控制方案
光波导的控制方案包括以下几个方面：
1. 温度控制：光波导的传输性能受温度的影响较大，因此需要对光波导进行温度控制，以保持其传输性能稳定。
常用的控制方法包括温度传感器监测和温度控制装置调节光波导周围的温度。
2. 光强控制：光波导中的光强度会对传输性能产生影响，因此需要对光强进行控制。
常用的控制方法包括光强传感器监测和可调节光衰减器等装置控制光强度。
3. 折射率控制：光波导的折射率会影响光的传输速度和传输损耗等性能，因此需要对折射率进行控制。
常用的控制方法包括改变光波导的材料组成和结构，如改变材料的折射率，或通过施加外界电场调节光波导的折射率。
4. 偏振控制：光波导中的光一般具有两个正交方向的偏振态，可以通过控制偏振来实现对光的路由和分光等功能。
常用的控制方法包括由电光效应产生的电光调制器来调节光波导中的偏振。
5. 电信号控制：光波导器件一般需要外界电信号来控制其工作状态，如改变光的传输方向、分光比、相位等。
常用的控制方法包括通过驱动电路和外部电信号对光波导中的电光调制器或切换器等器件进行控制。
以上是光波导的一些常见的控制方案，具体的控制方案要根据具体的光波导器件和应用需求进行选择和设计。
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。
光波导本征模式研究
光波导本征模式研究1. 光波导简介光波导是一种将光束导入到材料内部并限制其在其周围传播的光学器件。
它们通常由高折射率的芯层和低折射率的包层组成。
光波导常用于光学通信和光学计算等应用。
2. 光波导本征模式的研究背景随着现代通信和计算的发展，对高速低损耗的光学器件的需求越来越迫切。
而光波导作为一种重要的光学器件，其本征模式的研究可以为制造高品质光波导提供重要的指导意义。
3. 光波导本征模式的定义光波导在特定波长下的传播模式被称为光波导本征模式。
本征模式是指在不考虑外部条件（如光源位置、入射角度等）的情况下，光波导中可以传播的最低损耗电磁场分布形式。
不同的光波导结构，会导致不同的本征模式分布和传输性能。
4. 光波导本征模式的分析方法目前，光波导本征模式的分析方法基本上可以归为两类：数值模拟和解析方法。
其中，数值模拟方法包括有限差分法、有限元法、模型法等，而解析方法则包括传统的模式耦合理论、矩阵法、矢量模式扩张法等。
5. 光波导本征模式特点的研究通过对不同结构的光波导进行本征模式的研究，可以得到不同种类光波导的特点。
例如，光纤光波导的本征模式由于受到光纤直径的约束，其模场分布受到光纤芯层的折射率分布的限制；又例如，仅含单模模场的光波导可以实现高速光通信，而双模模场的光波导可以广泛应用于光学陀螺等精密仪器领域。
6. 光波导本征模式在实际应用中的意义光波导本征模式的研究不仅可以为光通信、光计算等领域提供技术支持，同时可促进光波导的发展。
同时，光波导本征模式分析工具的建立，还为光波导的制造和优化提供了基础研究。
7. 结论光波导本征模式的研究具有非常广泛的应用前景。
未来，我们的研究需要更多地关注光波导的制造工艺和光波导在实际应用中的可实现性，以提高其实际使用价值。
光波导制备
光波导制备光波导是一种用于光通信和光电子技术中的重要器件，能够将光信号有效地传输和控制。
光波导的制备是实现其应用的关键步骤之一，下面将介绍几种常见的光波导制备方法。
一、化学气相沉积法化学气相沉积法是一种常用的光波导制备方法。
该方法通过将所需材料的气体源引入反应室中，并在高温下进行化学反应，使材料沉积在基底上形成光波导结构。
这种方法制备的光波导具有良好的结晶性和较高的光学性能，适用于制备高性能的光波导器件。
二、离子交换法离子交换法是一种常见的光波导制备方法，适用于制备玻璃基底的光波导结构。
该方法通过将金属离子置换到玻璃基底中的某些离子位置上，形成折射率变化的光波导结构。
离子交换法制备的光波导具有低损耗、低散射和较高的光学性能，广泛应用于光通信领域。
三、溶胶凝胶法溶胶凝胶法是一种简单、灵活的光波导制备方法。
该方法通过将溶胶和凝胶剂混合形成溶胶凝胶体系，再通过光热处理使其形成光波导结构。
溶胶凝胶法制备的光波导具有较好的光学性能和结构可控性，适用于制备复杂结构的光波导器件。
四、电子束曝光法电子束曝光法是一种高分辨率的光波导制备方法。
该方法通过利用电子束曝光系统在光敏材料表面进行精确的曝光和显影过程，形成光波导结构。
电子束曝光法制备的光波导具有高分辨率、良好的光学性能和较小的尺寸误差，适用于制备微纳光波导器件。
五、光刻技术光刻技术是一种常用的光波导制备方法。
该方法通过将光刻胶涂覆在基底上，然后使用光刻机进行光刻曝光和显影过程，形成光波导结构。
光刻技术制备的光波导具有较好的光学性能和尺寸控制能力，适用于制备大面积的光波导器件。
光波导制备是光通信和光电子技术中的关键步骤之一。
化学气相沉积法、离子交换法、溶胶凝胶法、电子束曝光法和光刻技术是几种常见的光波导制备方法。
不同的制备方法适用于不同的光波导器件需求，选择合适的制备方法可以提高光波导器件的性能和可靠性。
在未来的发展中，随着材料科学和制备技术的不断进步，光波导制备方法将会得到进一步的改进和创新，为光通信和光电子技术的发展提供更好的支撑。
光波导
传输特性
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。
光波导的横向尺寸比光的波长大很多时，光的波动性所产生的衍射现象一般可略去不计，可用几何光学定律 来处理光在其中的传播问题。如集成光波导和阶跃折射率光纤中，都是利用入射角大于临界角使光在边界上发生 全反射，结果光便沿折线路径在其中传播。梯度折射率光纤中，则利用光逐渐往折射率大的方向弯曲的规律，使 光线沿曲线路径在其中传播。
平面材料
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。
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衬底， 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。
光波导原理与器件 pdf
光波导原理与器件 pdf1 光波导原理与器件概述光波导器件是指使用光波导技术制作的光学器件，其中的光波导是指利用材料中的反射率差，将光线引导至其它位置的一种光学引导结构。
通过这种方式，可以对光的传输进行有效的控制，因此光波导器件在光通信、光计算、光储存等领域有广泛应用。
2 光波导原理2.1 光波导的基本特点光波导是利用介质的光学性质来引导光线传输的结构。
光波导具有以下基本特点：- 包含一定的光波导结构，可以固定或调整光的位置和方向。
- 光波导结构必须能够比周围介质具备较高的折射率。
- 光的传输速度决定了光波导的尺寸，因此其相对于微观器件较大。
2.2 光波导的工作原理光波导的工作原理基于光的反射和折射原理。
当光线遇到介质表面的变化时，存在反射、折射和透射三种情况。
其中反射光在界面内传播，而折射光从界面上进入另一种介质中传播。
在光波导器件中，折射率高的材料被用作光波导，通常是通过将光束引导至介质的边界或者将光波导区域中的介质密度改变，使得光光束被抑制在其中，并且可以沿着这些通路传播。
3 光波导器件3.1 基于硅的光波导器件基于硅的光波导器件是最常用的光波导器件之一，主要应用于光电子集成电路和光纤通信中。
此类器件通高度制备工艺的要求，但其表现出的稳定性、实用性和成本优势得到了充分的认可。
该光波导器件的工作原理是将光束通过集成光波导引导到芯片上，同时光波导上的金属导线和其他器件可以与其相互作用，使得光子在电信号控制下具备更高的能量，可以实际应用。
这种器件被广泛用于光速转换、光遗传学、激光雷达、安全监控等领域。
3.2 其他光波导器件除了基于硅的光波导器件外，还有许多其他类型的光波导器件，例如光导纤芯、有机光波导器件等。
光导纤芯是另外一种基于光波导原理制作的光学器件，其结构类似于光纤，但其光导芯中注入高折射率材料，使得光波可以在其中定向和转移。
这种器件由于可以弯曲和弯曲裂缝，因此被广泛应用于光学传感、光纤通信和微模工艺制造等方面。
光波导技术 第一章
qi> qc
TIR
qi qc
R<1
28
qi qc
|R|=1
全反射的相移
rTE
2 2 [n1 cos q i ( n2 n1 sin 2 q i )1 / 2 ] 2 2 [n1 cos q i ( n2 n1 sin 2 q i )1 / 2 ]
1、当θ i＜ qc时，这时r<1为实数，只有部分反射 sinqi< sin qc = n2/n1, n1sinqi< n2 , r为实数, 且 r<1, 只有部分反射 2、当θ i > qc时，会产生全反射现象。 sinqi>sinqc = n2/n1, n1sinqi>n2 ，r为复数。
Hr
z
qt
Ht
•
Et
z
n2
qt Ht
• Et
TM波
折射光
TE波
折射光
25
菲涅耳(Fresnel)公式
由边界条件知，在界面无电流时电场E和磁场H的切向分量连续。
Hi cosqi Hr cosqi Ht cosqt
入射光
Hi
n1 n2 • x
Ei Er Et
(1)Biblioteka (2)Eiqi qr
Er
26
菲涅耳(Fresnel)公式
得到TE波的反射系数
n1 cos qi n2 cos qt RTE Er / Ei n1 cos qi n2 cos qt
Snell定律n1sinq1=n2sinq2，得
2 [n1 cos qi (n2 n12 sin 2 qi )1/ 2 ] RTE 2 [n1 cos qi (n2 n12 sin 2 qi )1/ 2 ]
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。
光波导方向的研究生
光波导方向的研究生光波导是一种用于光通信和光电子学领域的重要技术，因此光波导方向的研究生的培养也变得越来越重要。
本文将从光波导的基本原理、应用领域和研究方向等方面来探讨光波导方向的研究生的相关内容。
光波导是一种将光束约束在一个或多个介质中传输的结构，它通过利用介质的折射率分布来实现对光束的约束和传输。
光波导的基本原理是利用介质的折射率分布来实现光束的传输。
光波导可以分为平面光波导、光纤和光波导阵列等多种类型，具有很高的传输效率和传输带宽，广泛应用于光通信、光传感和光计算等领域。
在光通信领域，光波导被广泛应用于光纤通信系统中，用于传输和分配光信号。
光波导的优点是传输损耗低、传输带宽大、抗干扰性强等。
光波导在光纤通信系统中的应用包括光纤传输、光开关和光放大器等。
光波导在光纤传输中可以实现长距离的高速信号传输，光开关可以实现光信号的快速切换和分配，光放大器可以实现光信号的增强和放大。
除了光通信领域，光波导还被广泛应用于光传感和光计算等领域。
在光传感领域，光波导可以用于制作各种传感器，如光电子传感器、生物传感器和化学传感器等。
光波导传感器具有高灵敏度、高分辨率和快速响应等特点，可以用于环境监测、生物医学和工业控制等领域。
在光计算领域，光波导可以用于制作光学逻辑门和光学存储器等光学计算元件，实现光学计算和光学存储。
光波导方向的研究生的研究方向包括光波导的设计、制备和性能优化等。
光波导的设计是指通过调整光波导的结构参数和材料参数来实现对光信号的控制和调节。
光波导的制备是指通过材料的选择和材料的加工来制备光波导的结构。
光波导的性能优化是指通过调整光波导的结构和材料来提高光波导的传输效率和传输带宽。
光波导方向的研究生在研究中需要具备扎实的光学和电子学基础知识，掌握光波导的基本原理和设计方法，具备光波导的制备和测试技术，以及良好的科研能力和创新能力。
光波导方向的研究生的毕业后可以在光通信、光传感和光计算等领域从事科研和工程技术工作，也可以在高校和科研院所从事教学和科研工作，为我国光电子学和信息技术的发展做出贡献。
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模式场分量与纵横关系式
模式的场矢量E(x,y)和H(x,y)具有六个场 分量:Ex、Ey、Ez和Hx、Hy、Hz(或Er、Eφ、 Ez和Hr,Hφ,Hz)。只有当这六个场分量全部 求出方可认为模式的场分布唯一确定。 但实际上这并不必要。因为场的横向分 量可由纵向分量Ez和Hz来表示. （见（1.2.25）-（1.2.32）式）
波导场方程
r r 2 E ( x, y ) 2 E ( x, y ) ∇t r +χ r =0 H ( x, y ) H ( x, y )
χ2＝ω2εµ-β2＝n2 k02-β2 β=n(r)k0cosθz • 波导场方程：是波动光学方法的最基本方 程。它是一个典型的本征方程,其本征值为 χ或β。当给定波导的边界条件时,求解波导 场方程可得本征解及相应的本征值。通常 将本征解定义为“模式”.
参考书目
《导波光学》范崇澄、彭吉虎 《光纤光学》刘德明、向清、黄德修 《光纤技术及其应用》刘德明、向清、黄德修 《介质光波导理论》D. Marcuse, 刘弘度译 “Optical Waveguide Theory” Snyder A W ，Love J. “Understand fiber-optical communication”
六山（珞枷山、南望山、 六山（珞枷山、南望山、伏虎山 喻家山、马鞍山、九峰山） 喻家山、马鞍山、九峰山）
–区划：科研区、商贸区、居住区、管理区 区划：科研区、商贸区、居住区、 –人口：40-60万 人口：40-60万 –经济：750亿元（光电子600亿、生物150亿） 经济：750亿元 光电子600 亿元（ 600亿 生物150 150亿
信息光电子
• • • • • 光纤光缆 光通信器件与光集成 光通信系统设备 IP网络及设备 IP网络及设备 移动通信系统及设备
课程内容
光波如何进入光波导？（模式的激励） 光波在光波导中如何传播？(模式分布) 光波导的基本特征参数及测试技术 光波导耦合技术 光波导有源与无源器件 光波导中的非线性效应 光波导传感技术 光波导集成技术
消费光电子、软件产业 消费光电子、
–生物技术： 生物技术：
生物医药、生物材料 生物医药、 生物农药、生物克隆 生物农药、
建设规划
–面积：50平方公里 面积：50平方公里 –地域：东至外环线、南至汤逊湖北岸 地域：东至外环线、
西至珞狮路、北至东湖南岸 西至珞狮路、
–特征：三湖（东湖、南湖、汤逊湖） 特征：三湖（东湖、南湖、汤逊湖）
倾斜光线： 倾斜光线：均匀折射率分布
• 光线轨迹： (螺旋折线) • 临界角： • 三类光线： –约束光： –折射光： –隧道光：
cosθ i = sin θ z sin θ φ ric = a cosθ φ
sin θ ic = n 2 / n1 cos θ zc = n 2 / n1
0 < θ z < θ zc 0 < θ i < θ izc
2
1
–数值孔径: 定义光纤数值孔径NA为入射媒质折射率 与最大入射角的正弦值之积,即
2 NA = ni sin θ im = n12 − n2 = n1 2∆
–相对折射率差: ∆ = (n 2 − n 2 ) / 2n 2 1 2 1 –约束光 θ z < θ zc –折射光: θ z > θ zc
光子集成 光电子集成 集成光路 光收发模块 光接入模块 光开关模块 光放大模块
广告显示牌 激光手术刀 仪表照明 工艺装饰 电力输送 光纤面板 医用内窥镜 潜望镜
“光谷”：信息产业新的经 光谷” 济增长点
–许其贞委员于2000年3月在全国政协会议提 许其贞委员于2000 2000年 建立“ 中国光谷” 案：建立“武汉•中国光谷” –美国1998年5月以亚利桑那大学为中心建立 美国1998 1998年 了“美国光谷” 美国光谷” –法国1999年以Alcatel为依托建立法国光谷 法国1999年以Alcatel 1999年以Alcatel为依托建立法国光谷 –广东省将建立“广东光谷” 广东省将建立“广东光谷” –长春建设“长春光谷” 长春建设“长春光谷” –北京、重庆、上海、合肥都在建光谷。 北京、重庆、上海、合肥都在建光谷。
“武汉•中国光谷” 武汉•中国光谷”
–国家科技部批准的两个“光谷”之一 国家科技部批准的两个“光谷” –国家计委批准的唯一一个“光谷” 国家计委批准的唯一一个“光谷” –规范名称： 规范名称： 武汉光电子及生物技术产业基地
武汉光电子产业化基地
–光电子技术： 信息光电子、能量光电子 光电子技术： 信息光电子、
分离变量
• 电矢量与磁矢量分离: 可得到只与电场强 度E(x,y,z,t)有关的方程式及只与磁场强 度H(x,y,z,t)有关的方程式； • 时、空坐标分离: 亥姆霍兹方程，是关于 E(x,y,z)和H(x,y,z)的方程式； • 空间坐标纵、横分离：波导场方程，是 关于E(x,y)和H(x,y)的方程式； • 边界条件：在两种介质交界面上电磁场 矢量的E(x,y)和H(x,y)切向分量要连续。
对称/ 对称/非对称波导
• 对称波导：
芯区周围的介质折射率相同
• 非对称波导：
芯区周围的介质折射率不同
集成光学
• • • • • • • • 导波光学：研究波导的导波特性 集成光路: 功能元件集成 PIC: Photon Integrated Circuit OEIC: Optoelectronic Integrated Circuit MCVD: Modified chemical vapor deposit MOCVD: Metal Oxide chemical vapour deposit MBE: Molecular Beam Epitaxy LPE: Liquid Phase Epitaxy
• 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
位移、振动 温度、压力 应变、应力 电流、电压 电场、磁场 流量、浓度 可以测量70 多 个物理化学量
有源无源器件 光纤通信干线 光交换接入网 AON DWDM OADM OTDM FTTC,B,O,H
几何光学方法
• • • • 射线方程 光线分类 光线轨迹：子午光线 光线轨迹：倾斜光线
射线方程
r r d dr (n ) = ∇n(r ) dz dz
物理意义： • 将光线轨迹(由r描述)和空间折射率分布(n)联系起来; r • 由光线方程可以直接求出光线轨迹表达式; • dr/dS是光线切向斜率, 对于均匀波导，n为常数,光线以直 r 线形式传播;对于渐变波导,n是r的函数,则dr/dS为一变量, r r 这表明光线将发生弯曲。而且可以证明,光线总是向折射率 高的区域弯曲。
模式的基本特征
----每一个模式对应于沿光波导轴向传播 的一种电磁波; ----每一个模式对应于某一本征值并满足 全部边界条件; ----模式具有确定的相速群速和横场分布. ----模式是波导结构的固有电磁共振属性 模式是波导结构的固有电磁共振属性 的表征。 的表征。给定的波导中能够存在的模式 及其性质是已确定了的,外界激励源只能 激励起光波导中允许存在的模式而不会 改变模式的固有性质。
光波导技术
任课教授：刘德明
（光电子工程系） 光电子工程系）
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
研究方法
几何光学方法 适用条件 研究对象 基本方程 研究方法 主要特点 λ << d 光线 射线方程 折射/反射定理 约束光线 波动光学方法 λ∼d 模式 波导场方程 边值问题 模式 谐振条件 分立的波矢 波矢 本地平面波方法
分析思路
麦克斯韦方程
r r ∇ × H = ∂D / ∂ t r r ∇ × E = −∂B / ∂ t r ∇⋅D = 0 r ∇⋅B = 0
典型光线传播轨迹
反射型
折射型
光线分类
• 子午光线：
– 限制在子午平面内传播的光线 – 与光轴相交
• 倾斜光线：
– 轨迹曲线不限制在一个平面内 – 不过光轴
子午平面
θz
子午光线： 子午光线：均匀折射率分布
–折射率分布: n(r ) = n1
n2 0≤r ≤a r≥a
–光线轨迹: 限制在子午平面内传播的锯齿形折线。 光纤端面投影线是过园心交于纤壁的直线。 2 n2 –导光条件: ni sin θ i ≤ n12 − n2 θ n1 –临界角: θ = arccos(n / n )
平板波导
n3 n1 n2
矩形波导
脊型波导
沟道波导
平面掩埋沟道波导
园柱波导: 园柱波导:光导纤维
纤芯 包层 涂覆层 护套层
单模：8 ~10µm 多模：50µm
125µm
外护层
À强度元件
内护层 光纤 À缆芯
光波导的进一步分类
按折射率分布： 均匀折射率分布光波导；渐变折射率分布光波导 按传播模式： 单模光波导；多模光波导 按材料： 石英、塑料与红外光波导、III-V族材料光波导 特种光波导（光纤）： 保偏(单偏振)光纤；有源光纤；晶体光纤 零/非零色散位移光纤；负色散光纤； 特殊涂层光纤；耐辐射光纤；发光光纤
模式命名
• 根据场的纵向分量Ez和Hz的存在与否,可 将模式命名为: (1)横电磁模(TEM): Ez＝Hz＝0; (2)横电模(TE): Ez＝0, Hz≠0; (3)横磁模(TM): Ez≠0,Hz＝0; (4)混杂模(HE或EH):Ez≠0, Hz≠0。 • 光纤中存在的模式多数为HE(EH)模,有时 也出现TE(TM)模。