第1章 光波导原理与器件概述
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。
第01章 绪论及光波导原理与器件概述
2. 导波光学系统构成及特点
导波光学系统由光源、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，且在同一块衬底上尽可能制作多个微型光学元器件。 系统不存在组装问题，不仅可保持光学元器件相对位置不变，而且对振 动和温度等环境因素的适应性也较强。另外，由于各个光学元件用衬底内部 或表面上形成的光波导连接起来，即光波容易控制和保持其能量。 系统具有体积小、重量轻、结构紧凑、性能稳定、效率高及功耗低等特 点。
1. 导波光学 导波光学：研究光波导中光传输特性及其应用的学科。其研究对象：以光
波导现象为基础的光子学和光电子学系统。
光子学：定义为光的产生、发射、调制、探测、存储及相互作用的学科。 光电子学：由光学和电子学相结合而形成的新技术学科。 2. 集成光路
在光波导上制造微型的光学元件，并互连耦合成为具有一定功能的光学 系统，用以实现光的发射、传输、偏转、调制和探测功能的光路系统。
2. 方向耦合器型开关阵列
在现在的光纤系统中，使用 的几乎都是不具有偏振波面保存 特性的单模光纤，因此出现了会 受到偏振光影响的光学器件难于 原封不动地集成进集成光路的难 题。图1-7所示是解决了上述难题 而不受偏振光影响的8×8光学开 关阵列例子。
图1-7 不受偏振光影响的8×8开关阵列
1.3.3 光波导频谱分析器
0.0 课程介绍
6. 课程安排
第1章 第2章 第3章 第4章 第5章 第6章 第7章 论文报告 期末考试 光波导原理与器件概述 光波导的理论基础 光波导元器件和传感器 光波导的制备技术 光波导耦合理论与耦合器 光调制和光波导调制器 光纤和光纤技术 PPT汇报（每班3人且每人10分钟） 2学时 8学时 6学时 自学 6学时 6学时 自学 2学时 2学时 /32学时
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。
第1章 光波导原理与器件概述PPT课件
第1章 光导波原理与器件概论
第三，空间上多道阵列、多频段以致三维立体的光 学存储及处理的特点，使光存储和处理的容量可达 到1018kbit的“海量信息”。如果用集成光路来实 现光信号的逻辑运算、传送和处理，则可制成体积 小、速度快、容量大的“全光计算机”。光子计算 机与电子计算机相比有着并行处理、信号互不干扰、 开关速度快、光速传递、宽带以及信息容量极大的 优点。
离散光学系统是将有一定几何尺寸的光学元器 件固定在大型的光学平台或光具座上所构成的光路 系统。系统的大小约是几平方米的数量级，光束的 粗细约为5-10mm的范围。光束一般通过空气在各 个光学元器件之间进行传输。由于受到介质对光的 吸收、色散和散射等因素的影响，系统光能损耗较 大，组装、调整也比较困难。
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第1章 光导波原理与器件概论
1.1 导波光学的发展概况
1.1.1 导波光学基本概念 1.1.2 导波光学产生及发展过程
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第1章 光导波原理与器件概论
二十世纪六十年代激光的出现，使半导体 电子学、导波光学、非线性光学等一系列新学 科涌现出来。
二十世纪七十年，由于半导体激光器和光 导纤维技术的重大突破，使以光通信、光信息 处理、光纤传感、光信息存储与显示等为代表 的光信息科学与技术得到迅速发展，导波光学 已经成为光信息科学与技术的基础。
1、分支型开关阵列。在器件长度比较短、适合于 集成化的器件中大都采用LiNbO3分支开关。当波 导宽4μm时，电极长度为0.8mm，即使做成如图 1.3所示的1×4光学开关阵列，开关工作部分的长 度也仅仅只有3mm。
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第1章 光导波原理与器件概论
2、方向耦合器型开关阵列。 通常方向耦合器器件 长度约为5mm，即使不要求比较严格的制作精度， 也可以在比较低的电压下获得比较高的消光比，因 而首先用于制作集成化光学开关阵列。图1.4所示是 以Z切割LiNbO3为衬底，制作出的用于1.3μm波长 的4X4光学开关阵列。
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。
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
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
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。
光波导原理与器件说明书
图书基本信息书名：<<光波导原理与器件>>13位ISBN编号：978730227352310位ISBN编号：7302273529出版时间：2012-1出版时间：清华大学出版社作者：宋贵才 等主编页数：220版权说明：本站所提供下载的PDF图书仅提供预览和简介，请支持正版图书。
更多资源请访问：内容概要 《光波导原理与器件》在介绍导波光学产生和发展概况之后，从光的电磁理论出发，系统、深入地论述了光在光波导中传播时发生的基本现象和遵循的基本规律，同时阐述了光波导器件的原理、结构、制作技术和工艺。
全书内容共分7章：光波导原理与器件概述，光波导的理论基础，光波导元器件和传感器，光波导的制备技术，光波导耦合理论与耦合器，光调制和光波导调制器，光纤和光纤技术。
本着厚基础，重应用，使读者学以致用的理念，本书在重点讲述基本原理、基本概念和基本知识的基础上，全面、系统地讲述了光波导原理以及光波导器件的结构、功能、制作方法和相关应用。
《光波导原理与器件》可作为高等院校光信息科学与技术专业、应用物理学专业、电子科学与技术专业、光电子技术科学专业以及光学工程专业本科生的专业基础教材，也可供从事光学及相关领域学习和研究的师生和科技人员参考。
书籍目录第0章 绪论第1章 光波导原理与器件概述 1.1导波光学的发展 1.1.1导波光学基本概念 1.1.2导波光学产生及发展过程 1.2导波光学系统构成及优点 1.2.1导波光学系统构成 1.2.2导波光学系统优点 1.3光波导器件的进展 1.3.1光波导宽带光调制器 1.3.2光波导开关 1.3.3光波导频谱分析器 1.3.4高密度信息读取器 1.4光波导技术研究热点和发展趋势 1.4.1光波导技术的研究热点 1.4.2光波导技术的发展趋势 小结 习题第2章 光波导的理论基础 2.1光波导种类 2.1.1按形状分 2.1.2按折射率分布分 2.2光波导的射线光学理论 2.2.1平面（板）光波导简介 2.2.2射线光学模型 2.2.3光入射到介质界面处的基本定律 2.2.4全反射时的相移 2.2.5平面光波导的导模 2.2.6模式本征方程的图解 2.2.7应用实例 2.3古斯?汉欣线移和有效厚度原理 2.3.1古斯?汉欣线移 2.3.2有效厚度 2.4光波导的电磁理论 2.4.1电磁过程的基本方程 2.4.2平面光波导中的亥姆霍兹方程 2.5折射率突变光波导的基本解 2.5.1te导模的场分布 2.5.2模式本征方程 2.6折射率渐变光波导的基本解 2.6.1平方律折射率分布 2.6.2指数律折射率分布 2.7条形介质光波导的基本解 2.7.1马卡提里近似 2.7.2exm,n模式分析 2.7.3eym,n模式分析 2.7.4有效折射律法 2.8圆柱形介质光波导的基本解 2.8.1光纤导模的基本解 2.8.2导引模的截止条件 小结 习题第3章 光波导元器件和传感器 3.1光路变换器 3.1.1光波导棱镜 3.1.2端面反射镜 3.1.3弯曲光波导 3.2功率分配器 3.2.1单模光波导型功率分配器 3.2.2多模光波导型功率分配器 3.3光波导偏振器 3.3.1金属包层 3.3.2各向异性晶体 3.4模分割器和模变换器 3.4.1方向耦合器型模分割器 3.4.2三层结构分支光波导 3.4.3y形分支光波导模分割器 3.4.4模变换器 3.5光波导型透镜 3.5.1模折射率透镜 3.5.2短程透镜 3.5.3费涅耳透镜 3.5.4微透镜阵列 3.6光波导传感器 3.6.1光波导温度传感器 3.6.2光波导压力传感器 3.6.3光波导微位移传感器 3.6.4光波导振动传感器 小结 习题第4章 光波导的制备技术 4.1光波导制作概述 4.1.1光波导导光薄膜材料 4.1.2光波导制作难点 4.1.3材料与制作技术 4.1.4光波导的结构、制作方法和特性 4.2光波导衬底材料及加工 4.2.1光波导衬底材料 4.2.2衬底材料的加工 4.3无源材料光波导的制备技术 4.3.1淀积技术 4.3.2置换技术 4.4有源材料光波导制备技术 4.4.1外延生长技术 4.4.2减少载流子浓度技术 4.5光路几何图形的加工工艺 4.5.1集成光路设计和加工工艺 4.5.2光路几何图形设计和加工工艺 4.6光刻技术 4.6.1光致抗蚀剂 4.6.2涂布抗蚀剂 4.6.3曝光方式 4.6.4显影和坚膜 4.6.5脱膜和腐蚀 4.7电子束扫描曝光法 4.7.1电子束致抗蚀剂 4.7.2电子束扫描曝光系统构成和特点 4.8光波导加工技术 4.8.1脱膜法 4.8.2腐蚀法 4.9条形光波导的制作方法 4.9.1条形光波导的结构及制作方法 4.9.2埋入型条形光波导的制作工艺流程 4.9.3脊型条形光波导的制作工艺流程 4.9.4加载型条形光波导的制作工艺流程 4.10条形玻璃光波导的制作 4.10.1埋入型条形玻璃光波导 4.10.2脊型玻璃光波导 4.10.3加载型玻璃光波导 4.11条形linbo3光波导的制作 4.11.1ti扩散linbo3光波导 4.11.2质子交换linbo3光波导 4.11.3linbo3光波导电极的制作 小结 习题第5章 光波导耦合理论与耦合器 5.1光波导耦合的基本理论 5.1.1模式耦合方程 5.1.2光波导耦合的微扰理论 5.2导模与辐射模的耦合 5.2.1导模与辐射模耦合分析 5.2.2输出耦合 5.2.3输入耦合 5.3棱镜耦合器 5.3.1棱镜耦合器的工作原理 5.3.2棱镜耦合实验 5.4光栅耦合器 5.4.1光栅耦合器的工作原理 5.4.2光栅耦合形成导波的条件 5.4.3光栅的制作方法 5.5楔形光波导耦合器 5.5.1楔形光波导耦合器的工作原理 5.5.2楔形耦合模型 5.6光波导耦合的其他方法 5.6.1直接聚焦耦合 5.6.2直接对接耦合 小结 习题第6章 光调制和光波导调制器 6.1光波导调制技术概述 6.1.1几个基本概念 6.1.2光调制的评价指标 6.2调制光的光谱分析 6.2.1调幅光频信号频谱 6.2.2频率调制的频谱 6.2.3相位调制的频谱 6.2.4强度调制的频谱 6.2.5脉冲调制的频谱 6.3电光调制技术 6.3.1几个基本概念 6.3.2线性电光效应 6.3.3电光相位调制 6.3.4电光强度调制 6.3.5电光高频调制 6.3.6行波电光调制 6.3.7电光偏转 6.4声光调制技术 6.4.1几个基本概念 6.4.2拉曼?奈斯衍射 6.4.3布拉格衍射 6.4.4声光调制器 6.4.5声光偏转 6.5光波导调制器 6.5.1基本机理 6.5.2电光波导调制器 6.5.3声光波导调制器 小结 习题第7章 光纤和光纤技术 7.1光纤产生及应用 7.1.1光纤初始阶段 7.1.2光纤实用阶段 7.2光纤的种类和结构 7.2.1光纤的种类 7.2.2光纤的结构 7.3光纤的制作技术 7.3.1光纤材料 7.3.2光纤预制棒制备 7.3.3光纤拉丝 7.3.4光纤涂覆 7.4折射率突变光纤的光线理论分析 7.4.1光纤中的光线 7.4.2光纤的数值孔径 7.4.3子午光线的时延差 7.5折射率渐变光纤的光线理论分析 7.5.1平方律光纤(自聚焦光纤) 7.5.2光线在光纤中的传播轨迹 7.6光纤的损耗 7.6.1吸收损耗 7.6.2散射损耗 7.7光纤的色散 7.7.1光纤色散的种类 7.7.2光波导色散 7.7.3多模色散 7.7.4材料色散 7.8光纤传感技术 7.8.1光纤传感器的基本原理 7.8.2光纤传感器的优点 7.8.3光纤传感器的种类 7.9光纤通信技术 7.9.1光通信技术的基本原理 7.9.2光纤通信的特点 小结 习题附录a 常用术语附录b 习题参考答案参考文献版权说明本站所提供下载的PDF图书仅提供预览和简介，请支持正版图书。
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第1章 光导波原理与器件概论
2、准单片型。IOSA所需要的光检测器与其它的 光学器件有可能实现准单片集成化。作为这种准 单片型IOSA的衬底，选用Si比较合适。虽然含有 主检测器的单片集成化的IOSA至今尚未制作出来， 但是采用衍射型透镜，制作出了将检测器以外的 器件全都集成在一起了的典型器件，而且它的正 常运作也得到了确认。在IOSA之中，迄今为止在 应用方面还没有实现尽善尽美的性能，在分辨率 的改善、通带宽度最大值的探讨以及全集成化等 方面，为今后留下了不少的研究课题。
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第1章 光导波原理与器件概论
1.2.2 导波光学系统优点
导波光学系统具有体积小、性能稳定可靠、效率 高、功耗低、使用方便等优点。
首先，集成光路与光纤一样，信号的载体是光波， 光波的频率比电子手段产生的电磁振荡高得多，因 而可能加载频带宽极宽的信号，而且避免了电路的 导线固有的电容和电感导致的频率限制效应。这样， 集成光路的光信号的传输带宽及与此相应的传输信 息量，比电子电路系统的电信号的传输带宽和信息 量超过若干数量级。
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第1章 光导波原理与器件概论
1.2 导波光学系统构成及优点
1.2.1 导波光学系统构成 1.2.2 导波光学系统优点
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第1章 光导波原理与器件概论
1.2.1 导波光学系统构成
导波光学系统一般由光源、耦合器、光波导 器件、光调制器和光探测器等组成。与传统的、 非集成的离散光学元件系统相比，导波光学系统 具有体积小、重量轻、结构紧凑和性能稳定等特 点。
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第1章 光导波原理与器件概论
半导体激光器以材料的p-n结特性为基础，因此， 半导体激光器常被称为二极管激光器或激光二极管。 20世纪60年代初期的半导体激光器是同质结型激 光器，它是在一种材料上制作的p-n结二极管在正向 大电流注入下，电子不断地向p区注入，空穴不断 地向n区注入。
1、分支型开关阵列。在器件长度比较短、适合于 集成化的器件中大都采用LiNbO3分支开关。当波 导宽4μm时，电极长度为0.8mm，即使做成如图 1.3所示的1×4光学开关阵列，开关工作部分的长 度也仅仅只有3mm。
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第1章 光导波原理与器件概论
2、方向耦合器型开关阵列。 通常方向耦合器器件 长度约为5mm，即使不要求比较严格的制作精度， 也可以在比较低的电压下获得比较高的消光比，因 而首先用于制作集成化光学开关阵列。图1.4所示是 以Z切割LiNbO3为衬底，制作出的用于1.3μm波长 的4X4光学开关阵列。
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第1章 光导波原理与器件概论
第三，空间上多道阵列、多频段以致三维立体的光 学存储及处理的特点，使光存储和处理的容量可达 到1018kbit的“海量信息”。如果用集成光路来实 现光信号的逻辑运算、传送和处理，则可制成体积 小、速度快、容量大的“全光计算机”。光子计算 机与电子计算机相比有着并行处理、信号互不干扰、 开关速度快、光速传递、宽带以及信息容量极大的 优点。
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第1章 光导波原理与器件概论
1.1.1 导波光学基本概念 1、导波光学：导波光学是研究光在光波导中传输 规律及其应用的学科。它的研究对象是以光波导现 象为基础的光子学和光电子学系统。 光波导：光波导一般指导光薄膜，定义为有一维或 二维限制的狭窄的导光通道元器件。 光子学：光子学定义为光的产生、发射及相互作用 的微观量子理论。 光电子学：光电子学是由光学和电子学相结合而形 成的新技术学科。
至今已经实用化了的制成品仍然比较少。本节将对集 成光路中成熟程度比较高的若干光波导器件进行介绍。
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第1章 光导波原理与器件概论
1.3.1 光波导宽带光调制器
在将来的相干光通信中，人们打算使用10GHz 的频带或者更高的频带。为能够制作出具有数千兆 赫通带宽度的光调制器，研究人员正进行着不懈的 努力。已经有大量的行波型光调制器的报道，它们 属于马赫－泽德干涉仪型的。其调制带宽取决于波 导光与微波的速度匹配程度。图1.2就是一个已经达 到了实用化水平的调制器的例子。
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第1章 光导波原理与器件概论
QWL在结构上的特点是它的有源区是由多个或单 个阱宽约为10nm的势阱所组成，由于势阱宽度小 于材料中电子的德布罗意波的波长，产生了量子效 应，连续的能带分裂为子能级。因此，特别有利于 载流子的有效填充，所需要的激射阈值电流特别低。 半导体激光器的结构中应用的主要是单、多量子 阱，单量子阱(SQW)激光器的结构基本上就是把普 通双异质结(DH)激光器的有源层厚度做成数十nm 以下的一种激光器，通常把势垒较厚以致于相邻势 阱中电子波函数不发生交迭的周期结构称为多量子 阱(MQW )。
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第1章 光导波原理与器件概论
导波光学系统是在同一块衬底上尽量制作多个微 型的光学元器件，因而不存在离散光学器件所具有的 组装问题，不仅可以保持光学元器件相对位置不变， 而且对振动和温度等环境因素的适应性也比较强。另 外，由于各个光学元件用衬底内部或表面上形成的光 波导连接起来，因此，光波容易控制和保持其能量。
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第1章 光导波原理与器件概论
1970年，实现了激光波长为900nm室温连续工作的 双异质结GaAs-GaAlAs激光器。其结构的特点是 在p型和n型材料之间生长了仅有0. 2μm厚的，不掺 杂的，具有较窄能隙材料的一个薄层，因此注入的 载流子被限制在该区域内(有源区)，这样注入较少 的电流就可以实现载流子数的反转。
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第1章 光导波原理与器件概论
2、集成光路：集成光路指在光波导上制造微型的 光学元件，并互连耦合为具有一定功能的光学系统， 用以实现光的发射、传输、偏转、调制和探测功能 的光路系统。
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第1章 光导波原理与器件概论
1.1.2 导波光学产生及发展过程 推动导波光学发展的动力来自于人们要制造小 型化光学元件和集成化光学系统，即制造结构紧 凑，性能稳定的集成光路。 制造集成光路首先要解决的就是光源小型化， 因此，导波光学是伴随半导体激光器的发展而发 展起来的。 1962年7月，在固体器件研究国际会议上，美国 麻省理工学院林肯实验室的学者克耶斯和奎斯特 报告了砷化镓材料的光发射现象，这是半导体激 光器的雏形。
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第1章 光导波原理与器件概论
半导体激光器发展的第二阶段是异质结构半导体 激光器，它是由两种不同带隙的半导体材料薄层，如 GaAs, GaAlAs所组成。它是利用异质结提供的势垒 把注入电子限制在GaAs p-n结的p区之内，以此来降 低阈值电流密度，其数值比同质结激光器降低了一个 量级，但单异质结激光器仍不能在室温下连续工作。
离散光学系统是将有一定几何尺寸的光学元器 件固定在大型的光学平台或光具座上所构成的光路 系统。系统的大小约是几平方米的数量级，光束的 粗细约为5-10mm的范围。光束一般通过空气在各 个光学元器件之间进行传输。由于受到介质对光的 吸收、色散和散射等因素的影响，系统光能损耗较 大，组装、调整也比较困难。
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第1章 光导波原理与器件概论
在现在的光纤系统中，使用的几乎都是不具有偏振 波面保存特性的单模光纤，因此出现了会受到偏振 光影响的光学器件难于原封不动地集成进集成光路 的难题。图1.5所示是解决了上述难题而不受偏振光 影响的8×8光学开关阵列例子。
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第1章 光导波原理与器件概论
光导波原理与器件
第1章 光波导原理与器件概述 第2章 光波导的基本理论 第3章 光波导器件与传感器 第4章 光波导的制备技术 第5章 光波导的耦合理论与耦合器
第6章 光波导调制技术
第7章 光纤和光纤技术
第1章 光导波原理与器件概论Байду номын сангаас
1.1 导波光学的发展概况 1.2 导波光学系统构成及优点 1.3 光波导器件的进展 1.4 光波导技术发展前景和趋势
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第1章 光导波原理与器件概论
频谱分析虽然用电子电路也可以完成，但是当采用 光学器件来完成时，因其具有并行处理功能，而使 得测量的高速化和实时处理成为可能，而且通过将 其制作成集成光路还可以使它在结构上更加小型化 。 现在的研究开发主要着眼于雷达信号的处理，将来 有可能将其应用于电波望远镜、各种激光探测、遥 感以及通信等广泛的信息处理领域。特别是在卫星 搭载中，为了满足体积小、重量轻的需求，它将成 为一种重要的器件。
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第1章 光导波原理与器件概论
其次，虽然电子计算机已经进入大规模和超大规 模集成电路的时代，但其运算速率始终受限于固 体电子器件中电子运动的速度，而光子计算机以 光速运动的光子为工作的基础，其理论计算速率 可高达1010～1011次/秒，它比目前计算速率最快的 电子计算机高100～1000倍。
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第1章 光导波原理与器件概论
1.3.2 光波导开关
将多个LiNbO3波导开关集成在同一块衬底上， 可以构成具有多个输入端和输出端的N×N或者 l×N光学开关网络。其主要的应用目标是制作成 未来的光纤通信系统中的光交换机以及时段分割 通信系统中的发射信息与接收信息的器件。
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第1章 光导波原理与器件概论
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第1章 光导波原理与器件概论
在半导体激光器件中，目前比较成熟、性能较好、 应用较广的是具有双异质结构的电注入式GaAs二极 管激光器。 随着异质结激光器的研究发展，人们想到将超薄膜 (< 20nm)的半导体层作为激光器的激活层，以致于能 够产生量子效应。 由于MBE，MOCVD技术的成熟，在1978年出现了 世界上第一只半导体量子阱激光器(QWL)。 子阱半导体激光器与双异质结(DH)激光器相比，具 有阈值电流低、输出功率高，频率响应好，光谱线窄 和温度稳定性好和较高的电光转换效率等许多优点。