光波导理论 1
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
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。
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
导波光学 第1讲
■ 课程的性质
光通讯是20世纪70年代以后发展起来的新的通 信技术，光通信被认为是通信发展史上的一次 革命性的进步，它对人类由工业化社会向信息 化社会进步有着不可估量的推动作用，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。
E(x, y, z) E(x, y)ei z H (x, y, z) H (x, y)ei z
模式场 传播常数
● 传播常数是波导中电磁波波矢z分量的大小，它决 定了波的相速度。
把上面的式子代入亥姆霍兹方程
2E k 2E (E ) 0
2H k 2H ( H ) 0
y)
t
]zˆ
0
● 由偏微分方程的理论，模式场的亥姆霍兹方程在给 定边界条件下是一个个离散的特征解。每一个特征解 与一个特征值相对应，通解是这些特征解的线性叠加， 当给定初始条件时，就可以确定特征解前面的系数。 在光波导中，我们把一个特征解就叫这个光波导的一 个模式。所以从数学上讲模式是满足模式场的亥姆霍 兹方程及边界条件的一个特解；从物理上讲，模式是 正规光波导中的光波一种可能的存在形式，模式场是 正规光波导的光场在横截面上的一种可能的场分布。
＝0，J=0且 =0，这时麦克斯韦方程组为
E i0 H E E
H i E
H 0
2E k 2E (E ) 0
2H k 2H ( H ) 0
电磁场E，H随空间位置变化关系的方程 ——亥姆霍兹方程
■ 电磁场和模式场的横向分量与纵向分量的关系
若把电磁场分解为横向分量与纵向分量，即
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
光波导理论
1.2.1 集成光学系统与离散光学器件(qìjiàn)系统的比较
? (1)光波在光波导中传播，光波容易控制(kòngzhì)和保持其能量。
? (2)集成化带来的稳固(wěngù)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，
平板波导几何光学分析 2012 年2月
集成光学(guāngxué)主要应—用—（光三纤）传感
? 光纤传感器具有抗电磁干扰和原子(yuánzǐ)辐射、重量轻、
体积小、绝缘(juéyuán)、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
多样，研究开发中
第二十页，共40页。
平板波基导本几平何光面学工分艺析 ，已2成012熟年2月
§1.3 集成光学(guāngxué)的发展和现状
1.3.1 发展(fāzhǎn)简史
1962 年开发(kāifā)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 。
器、窄带响应集成光电探测器、路由选择
的波长变换器、快速响应光开关矩阵、低 损耗多址波导分束器等。
第十二页，共40页。平板波Leabharlann 几何光学分析2012 年2月
集成光学主要(zhǔyào)应用—（—二光）子(guāngzǐ)
? 光子(guāngzǐ)计算机：
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
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
《光波导理论与技术李玉权版》第一、二章
——自学《光波导理论与技术李玉权版》笔录第 1 章绪论 (2)1.1 光通讯技术 (2)1.2 光通讯的发展过程 (2)1.3 光通讯重点技术 (3)光纤 (3)光源和光发送机 (5)第 2 章电磁场理论基础 (7)2.1 电磁场基本方程 (7)麦克斯韦方程组 (7)电磁场界限条件 (8)颠簸方程和亥姆霍兹方程 (10)柱型波导中的场方程 (11)2.2 各向同性媒质中的平面电磁波 (13)无界平均媒质中的平均电磁波 (13)平面电磁波的偏振状态 (13)平面波的反射和折射 (15)非理想媒质中的平面电磁波 (16)2.3 各向异性媒质中的平面电磁波 (18)电各向异性媒质 (18)电各向异性媒质中的平面波 (18)2.4 电磁波理论的短波长极限——几何光学理论 (22)几何光学的基本方程—— eikonal 方程 (22)光芒流传的路径方程 (24)路径方程解的两个特例 (25)折射定律与反射定律 (28)第 1 章绪论1.1 光通讯技术光通讯的主要优势表此刻以下几个方面：（ 1）巨大的传输带宽石英光纤的工作频次为 0.8 ~ 1.65 m，单根光纤的可用频带几乎达到了200THz。
即即是在1.55 m邻近的低消耗窗口，其带宽也超出了15THz 。
（ 2）极低的传输消耗当前工业制造的光纤载 1.3 m邻近，其消耗在0.3 ~ 0.4dB/ km范围之内，在1.55 m 波段已降至 0.2dB / km以下。
（3）光纤通讯可抗强电磁扰乱，不向外辐射电磁波，这样就提升了这类通讯手段的保密性，同时也不会产生电磁污染。
1.2 光通讯的发展过程准同步数字系统（ PDH）同步光网络（ SONET）全光网络图 1.1.1 光纤通讯发展的三个阶段一个最基本的光纤通讯系统的构成：图 1.1.2 光纤通讯系统原理框架图1.3 光通讯重点技术1.3.1 光纤光纤是构成光网络的传输介质，当前通讯光纤所有都是以石英为基础资料制作的，它有纤芯、包层及保护层构成，横截面如图 1.1.3 所示。
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》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：
光波导理论期末试题及答案
光波导理论期末试题及答案一、选择题（每题2分，共40分）1. 光波导是一种利用____来传导光信号的器件。
A. 电荷B. 电流C. 电磁波D. 电压答案：C2. 光波导的主要组成部分是____。
A. 光源B. 光纤C. 光波导芯D. 光电探测器答案：C3. 光波导的工作原理是基于____。
A. 光的反射B. 光的散射C. 光的干涉D. 光的衍射答案：A4. 光波导的传导模式主要有____。
A. 单模和多模B. 垂直模和水平模C. 狭缝模和波导模D. 有源模和无源模答案：A5. 光波导的典型应用领域包括____。
A. 光通信B. 光计算C. 光传感D. 以上皆是答案：D......二、填空题（每题3分，共30分）1. 光波导是一种能够____光信号的器件。
答案：传导或导引2. 光波导的核心部件是____。
答案：光波导芯（或波导芯）3. 光波导的主要传导模式分为____和____。
答案：单模和多模4. 光波导的传导损耗一般是指光在光波导中____的损耗。
答案：传输或传导5. 光波导在光通信领域起到了____作用。
答案：重要或关键......三、问答题（每题10分，共30分）1. 请简要介绍光波导的基本工作原理。
答案：光波导的基本工作原理是利用光的反射和全反射原理，将光信号在光波导芯中传导。
光波导芯通常由具有较高折射率的材料构成，周围则是具有较低折射率的包层材料。
当光信号从折射率较高的光波导芯射入光波导时，由于光的折射率变化，光会在界面上发生反射。
当入射角达到临界角时，光将完全被反射回光波导中，不发生漏射。
这样，光信号就可以通过光波导进行传导。
2. 请简述光波导的优缺点。
答案：光波导的优点包括：传输速度快、传输距离远、抗干扰能力强、信息容量大、光信号无电磁干扰等。
光波导可以实现高速率的光通信和光计算，对于现代通信技术和数据处理有重要的应用价值。
光波导的缺点包括：制造成本较高、结构较为复杂、对精度要求较高、易受损等。
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。
《光波导理论与技术》PPT课件
3.83171
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1.3.1 光纤 主要考虑光纤4个主要的传输特性：损耗、 色散、非线性、双折射。
1.3.2 光源和光发送端机 LD、光源调制技术、光端机。
1.3.3 光检测器和光接收端机 1.3.4 光电集成和光集成技术
精选ppt 4
电磁场理论基础
§2.1 电磁场基本方程
H J D t
E B t
B 0 D
绪论
§1.1 单模光纤损耗谱示意图
精选ppt 1
§1.2 光纤网络的巨大传输带宽
通常认为带宽是载波频率的10%左右，以目 前光纤中传输的1.55µm光波为例,载波频率为:
f c1.535 110086200THz
带宽大约为20THz, 当然这只是说光纤有这么 大的带宽容量，实际上已经利用了多少带宽 是另一回事。例如1.6Tbit/s光纤链路大约可以 传输1930万路语音信道。
§5.2 阶跃光纤的严格解---矢量模解
可以用射线理论和本地平面波理论解释，TE模和TM模由光纤中传播的子午 光线形成，混合模HE模和EH模则由偏斜光线形成，进一步，由于水平偏振 的子午光线形成TE模，而垂直偏振的子午光线则形成TM模。这是因为子午 光线的路径是平面折线，它们在分界面上反射时，横向场分量不改变方向。 这种情形见下图。偏斜光线的路径时空间折线，纤芯包层分界面上的不同反 射点的法线方向不相同，所以不管光线的初始偏振状态如何，都有可能产生 z方向的电场和磁场，故偏斜光线只能形成光纤中的混合模。
光波导理论与技术
光波导1.集成光学：1)按集成的方式划分：个数集成和功能集成;2）按集成的类型划分：光子集成回路（PIC ）和光电子集成回路（OEIC ）；3）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。
2.纤维光学（圆波导）和集成光学（平板波导、条形波导）是导波光学的两大分支。
3.传播常数β和有效折射率N=β/k 0=n 1sinθ是研究平板波导的重要参数。
4.平板波导的两种基本模式：TE 模：E y ，H x ，H z ；TM 模：H y ，E x ，E z 。
5.对称平板光波导中，基模无论如何都不截止；非对称的基模可能截止。
6.对于非对称波导，随着波长的增大，波导层厚度的减小，同阶数的TM 模先截止；对于对称波导，同阶数的TE 和TM 模一起截止。
7、一个平板光波导的波导层、衬底层和覆盖层折射率分别为1n 、2n 和3n ，若在波长λ下保持单模传输，波导层的厚度d 应在什么范围内选取？答案：单模传输的前提条件是非对称波导。
截止厚度计算式()()TE TE c TM TM c m d n n m d n n 22122212arctan 2arctan 2παλππαλπ⎧⎡⎤+⎣⎦⎪=⎪-⎪⎨⎡⎤⎪+⎣⎦⎪=⎪-⎩ 其中TE TM n n n n n n n n n n 2223221242223122312αα⎧-=⎪-⎪⎨⎛⎫-⎪= ⎪⎪-⎝⎭⎩ 所以TE c n n n n d n n 0222322122212arctan 2λπ⎛⎫- ⎪ ⎪-⎝⎭=-，TE c n n n n d n n 1222322122212arctan 2λππ⎡⎤⎛⎫-⎢⎥+ ⎪ ⎪-⎢⎥⎝⎭⎣⎦=-， TM c n n n n n n d n n 0222231223122212arctan 2λπ⎡⎤⎛⎫-⎢⎥ ⎪-⎢⎥⎝⎭⎣⎦=- 单模传输条件TE TE c c TM c d d d d d 010⎧<<⎪⎨<⎪⎩因为TE TM c cd d 00<并且TM TE c c d d 01< 所以波导层厚度的取值范围为TE TM cc d d d 00<< 即n n n n n n n n n n d n n n n 222222312322223121222221212arctan arctan 22λλππ⎡⎤⎛⎫⎛⎫--⎢⎥ ⎪ ⎪ ⎪--⎢⎥⎝⎭⎝⎭⎣⎦<<--8、一个平板光波导的波导层、衬底层和覆盖层折射率分别为1n 、2n 和3n ，波导层的厚度为d ，若只让0TE 模传输，波长λ应在什么范围内选取？答案：单模传输的前提条件是非对称波导。
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“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)
平板波导几何波光学 （～20学时）
汪平河 光电学院416房间 电话83205564
wphsci@
平板波导几何光学绪分论析 2012年2月
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
– 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。
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） – 第三节 条形光波导的波动方程分析（4学时） – 第四节 耦合模理论（4学时） • 第三章：光波导器件与集成技术（22学时） – 第一节 集成光学材料（2学时） – 第二节 光波导的主要制作和集成技术（8学时） – 第三节：光波导的损耗（1学时） – 第四节：光波导参数测试(1学时) – 第五节 集成光波导器件 (8学时) – 第六节：集成光学的应用及发展趋势(2学时)
• (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
• 光集成器件是实现高速率大容量光通信网 络的关键硬件和必由之路，包括高速响应 集成激光源、波导光栅阵列密集波分复用 器、窄带响应集成光电探测器、路由选择 的波长变换器、快速响应光开关矩阵、低 损耗多址波导分束器等。
平板波导几何光学分析 2012年2月
• 考核方式与成绩评定
– 考核方式：闭卷笔试 – 成考绩试评成定绩：占平80时%。考核成绩（出勤，实践表现及作业）占20%，期末
• 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：
– 《R.GIn.tHegurnastpeedrgOerp, tSicpsr:inTgehreoVreyrlaagn,d20T09echnology》 ， sixth Edition, – 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 – 《HaOrupntiac,aTl oIsnhtieagkriaSteudhaCrair，cuMitcsG》r，awH-HiriollsPhri oNfeissshioihnaarla, 1, 9M89asamitsu – 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
集成光学主要应用（二）——光子计算机
• 光子计算机：
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
• 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 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
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。
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
• (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
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
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，