第4章 光波导技术基础 4
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第4章 光在波导中的传播
φ0 p = arctan
2 n12 sin 2 θ − n0 2 n0 cosθ / n1
特征方程中 特征方程 k0 n1 cosθ 是薄膜中波矢量在x方向的分量，它是 薄膜中的横向相位常数，可表示为：
k1x = k0 n1 cosθ
于是特征方程可写为： 2k1x h − 2φ1 − 2φ0 = 2mπ 该式表明，由波导的某点出发，沿波导横向往复一次回到原 处，总的相位变化应是 2π 的整数倍。这使原来的波加强，即 横向谐振条件。 相当于在波导的横向谐振，因而叫做波导的横向谐振条件 横向谐振条件 横向谐振特性是波导导波的一个重要特性。 2．导波的模式 对给定的波导、工作波长和整数m，由特征方程可求出形 成导波的入射角。以该角入射的平面波即形成一个导波模式。
2 2h n12 − n2 对于n 的所谓对称平板波导，截止波长为： 对于 2=n0的所谓对称平板波导，截止波长为： λc = m
该式对TE模和TM模都适用，这就是说，对于对称波导，模序 数相同的TE模和TM模具有相同的截止波长 λc 。但是，TE0模 （或TM0模）的截止波长=∞，此时没有截止现象，这是对称 波导的特有性质。
第四章 光在波导中的传播
光波被约束在确定的介质中传播 时，由这种介质构成的光波通道称 为光学介质波导，或简称为光波导 为光学介质波导，或简称为光波导
光通信的迅速发展， 光通信的迅速发展，促进了对与之有密切联系的光波导技 术的研究。光波导技术是一种以光的电磁场理论为基础， 术的研究。光波导技术是一种以光的电磁场理论为基础，对 光波实施限制和传输的技术。其中， 光波实施限制和传输的技术。其中，介质波导和光纤是两种 最常用和最重要的光波导。下面将以射线理论和电磁场理论 射线理论和电磁场 最常用和最重要的光波导。下面将以射线理论和电磁场理论 分析光波在介质波导和光纤中的传导模式和传播特性， 介质波导和光纤中的传导模式和传播特性 分析光波在介质波导和光纤中的传导模式和传播特性，并介 绍导波光学器件的典型应用。 绍导波光学器件的典型应用。 第一节 光在平板波导中的传播
《光波导理论与技术》课件
光计算和光传感等领域。
塑料光波导
塑料光波导具有柔韧性好、制备工 艺简单等优点，在消费电子、汽车 和医疗等领域有广泛应用前景。
玻璃光波导
玻璃光波导具有高透过率、低损耗 等优点，在高端光学仪器和特种应 用领域有重要应用。
光波导技术发展趋势
低损耗、高性能
随着光通信和光计算技术的发展，对光波导的性能要求越来越高 ，低损耗、高性能成为光波导技术的重要发展方向。
光波导的传输模式
要点一
总结词
光波导的传输模式是指光波在光波导中传播时的场分布形 态，不同的模式具有不同的能量分布和传输特性。传输模 式的研究对于光波导器件的性能优化和设计具有重要意义 。
要点二
详细描述
在光波导中，由于光波的传播受到边界条件的限制，其场 分布形态呈现出不同的模式。这些模式决定了光波的能量 分布、传输方向和相位等特性。通过对传输模式的研究， 可以深入了解光波在光波导中的传播行为，为设计高性能 的光波导器件提供重要的理论依据。在实际应用中，根据 需要选择合适的传输模式是实现高效、稳定的光信号传输 的关键。
02
光波导器件
光波导调制器
01 调制器原理
光波导调制器利用电场对光波的相位或振幅进行 调制，实现光信号的开关、调制等功能。
02 调制速度
光波导调制器的调制速度非常快，可达到几十吉 赫兹甚至更高。
03 调制方式
光波导调制器可以采用电吸收、电光效应、热光 效应等多种方式进行调制。
光波导放大器
01 放大原理
THANKS
感谢观看
集成化、小型化
随着微纳加工技术的发展，光波导的集成化和小型化成为可能，这 将有助于提高光波导的集成度和降低成本。
多功能化
光波导的应用领域不断拓展，需要实现更多的功能，如波长选择、 模式控制等，多功能化成为光波导技术的重要发展趋势。
塑料光波导
塑料光波导具有柔韧性好、制备工 艺简单等优点，在消费电子、汽车 和医疗等领域有广泛应用前景。
玻璃光波导
玻璃光波导具有高透过率、低损耗 等优点，在高端光学仪器和特种应 用领域有重要应用。
光波导技术发展趋势
低损耗、高性能
随着光通信和光计算技术的发展，对光波导的性能要求越来越高 ，低损耗、高性能成为光波导技术的重要发展方向。
光波导的传输模式
要点一
总结词
光波导的传输模式是指光波在光波导中传播时的场分布形 态，不同的模式具有不同的能量分布和传输特性。传输模 式的研究对于光波导器件的性能优化和设计具有重要意义 。
要点二
详细描述
在光波导中，由于光波的传播受到边界条件的限制，其场 分布形态呈现出不同的模式。这些模式决定了光波的能量 分布、传输方向和相位等特性。通过对传输模式的研究， 可以深入了解光波在光波导中的传播行为，为设计高性能 的光波导器件提供重要的理论依据。在实际应用中，根据 需要选择合适的传输模式是实现高效、稳定的光信号传输 的关键。
02
光波导器件
光波导调制器
01 调制器原理
光波导调制器利用电场对光波的相位或振幅进行 调制，实现光信号的开关、调制等功能。
02 调制速度
光波导调制器的调制速度非常快，可达到几十吉 赫兹甚至更高。
03 调制方式
光波导调制器可以采用电吸收、电光效应、热光 效应等多种方式进行调制。
光波导放大器
01 放大原理
THANKS
感谢观看
集成化、小型化
随着微纳加工技术的发展，光波导的集成化和小型化成为可能，这 将有助于提高光波导的集成度和降低成本。
多功能化
光波导的应用领域不断拓展，需要实现更多的功能，如波长选择、 模式控制等，多功能化成为光波导技术的重要发展趋势。
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。
(完整版)第4章光波导的制备技术
透光范围/µm 0.12-4.5
0.21-5.0 0.28-4.5 0.44-3.4
表4-8表明，用于衬底玻璃的材料主要为熔石英、高硼硅酸玻璃、派热克斯玻璃和钠玻璃。
4.2 光波导衬底材料及加工
4.2.1 光波导衬底材料
材料 LiNbO3 LiTaO3
波长/µm 0.633 1.0 0.633 1.2
Δn <10-2 Δn=0.13 nf=2.20/2.29 Δn=2-4×10-2 Δn=10-2
β(dB/cm) 1 1-2 1 <3 1-2 2
表4-4表明，通常利用扩散技术制作铌酸锂波导。
4.1 光波导制作概述
4.1.4 波导的结构、制作方法和特性
波导结构
波导层
衬底
ZnO(多晶) ZnO(单晶)
洗好的衬底需要用简单而快速的方法进行检验，通常利用水消法和照 射法。水消法是将洗干净的衬底表面浸入去离子水当中，然后观察其干 燥的图样。若衬底表面不存在有机残留物，则去离子水能够均匀浸湿衬 底表面，由于缓慢蒸发，水几乎完全消失，在水层变得很薄时会显现出 干涉色。
【本章教学目的和学习目标】
掌握制备光波导薄膜材料 掌握光波导衬底材料的特性 掌握无源材料光波导的制备技术 掌握有源材料光波导的制备技术 掌握光刻技术和工艺 掌握光波导的加工技术 掌握条形波导的制作方法 掌握条形波导电极制作方法
第4章 光波导的制备技术
【本章引言】
光波导的制备通常需要两个过程，首先是要制作光波导薄膜，然后在 光波导薄膜上制作光波导器件最终形成集成光路。光波导薄膜的制作技术 主要包括原子掺杂技术，淀积技术，外延生长技术和电光技术。通过这些 技术可以制作出光波导薄膜。光路几何图形的微细加工技术主要包括化学 腐蚀法刻蚀和离子束刻蚀。进行刻蚀的目的：一是规定光的传输方向，让 光在通道上有效通过，二是在规定的通道上加工制作不同光波导器件以便 对光信号进行调制、分束、开关和探测。本章将在介绍光波导材料和衬底 材料的基础上，重点讲述有源材料和无源材料光波导的制作技术；光路几 何图形的微细加工技术和光波导电极的制作方法。
光电子技术基础与应用习题答案
6 第六章 光电探测技术（十一、十二讲）
7 第七章 光电显示技术（十三、十四、十五讲） 8 第八章 光通信无源器件技术（十六、十七、十八、十九讲） 9 第九章 光盘与光存储技术（二十、二十一、二十二讲） 10 第十章 表面等离子体共振现象与应用的探究（二十三讲） 11 第十一章 连续可调太赫兹超常材料宽带低损超吸收器（二十四讲）
8. 从麦克斯韦通式(2-28)出发，推导波动方程(2-44)。
1. 填空题：
第二章 习题答案(1)
第二章 习题答案(2)
第二章 习题答案(3)
6. 输出波长为＝632.8nm的He-Ne激光器中的反射镜是在玻璃上交替涂覆ZnS和 ThF2形成的，这两种材料的折射率系数分别为1.5和2.5。问至少涂覆多少个双层 才能使镜面反射系数大于99.5％？
6. 输出波长为＝632.8nm的He-Ne激光器中的反射镜是在玻璃上交替涂覆ZnS和 ThF2形成的，这两种材料的折射率系数分别为1.5和2.5。问至少涂覆多少个双层 才能使镜面反射系数大于99.5％？
7. 有m个相距为d的平行反射平面。一束光以倾角投射至反射面。设每一反射平面 仅反射一小部分光，大部分光仅透射过去；又设各层的反射波幅值相等。证明 当sin=/2d时，合成的反射波强度达到最大值，这一角度称为Bragg角。
第三章复习思考题(13)
4. 简述题 （8）简述光谱线展宽的分类，每类的特点与光谱线线型函数的类型。
第三章复习思考题(14)
4. 简述题 （8）简述光谱线展宽的分类，每类的特点与光谱线线型函数的类型。
4. 简述题
第三章复习思考题(15)
第三章复习思考题(16)
4. 简述题 （10）激光器按激光工作介质来划分可分为几类？各举出一个 典型激光器，并给出其典型波长、转换效率、典型优点。
7 第七章 光电显示技术（十三、十四、十五讲） 8 第八章 光通信无源器件技术（十六、十七、十八、十九讲） 9 第九章 光盘与光存储技术（二十、二十一、二十二讲） 10 第十章 表面等离子体共振现象与应用的探究（二十三讲） 11 第十一章 连续可调太赫兹超常材料宽带低损超吸收器（二十四讲）
8. 从麦克斯韦通式(2-28)出发，推导波动方程(2-44)。
1. 填空题：
第二章 习题答案(1)
第二章 习题答案(2)
第二章 习题答案(3)
6. 输出波长为＝632.8nm的He-Ne激光器中的反射镜是在玻璃上交替涂覆ZnS和 ThF2形成的，这两种材料的折射率系数分别为1.5和2.5。问至少涂覆多少个双层 才能使镜面反射系数大于99.5％？
6. 输出波长为＝632.8nm的He-Ne激光器中的反射镜是在玻璃上交替涂覆ZnS和 ThF2形成的，这两种材料的折射率系数分别为1.5和2.5。问至少涂覆多少个双层 才能使镜面反射系数大于99.5％？
7. 有m个相距为d的平行反射平面。一束光以倾角投射至反射面。设每一反射平面 仅反射一小部分光，大部分光仅透射过去；又设各层的反射波幅值相等。证明 当sin=/2d时，合成的反射波强度达到最大值，这一角度称为Bragg角。
第三章复习思考题(13)
4. 简述题 （8）简述光谱线展宽的分类，每类的特点与光谱线线型函数的类型。
第三章复习思考题(14)
4. 简述题 （8）简述光谱线展宽的分类，每类的特点与光谱线线型函数的类型。
4. 简述题
第三章复习思考题(15)
第三章复习思考题(16)
4. 简述题 （10）激光器按激光工作介质来划分可分为几类？各举出一个 典型激光器，并给出其典型波长、转换效率、典型优点。
光波导技术
ei ji z ( x , y ) e i h
一个特征解为一个模式，光纤中总的光场分布则是这些 模式的线性组合：
一系列模式可以看 a e E i i j iz ( x , y ) e 成是一个光波导的 b H 场分布的空间谱。 ih i i
（均匀光波导） 横向非均匀的光波导 （非均匀光波导） 缓变光波导 迅变光波导
突变光波导
模式的概念
不同类型的光波导相应于求解不同类型的微分方程。对 于光纤，还应注意结构的特征：纵向（光纤的轴向，即光传 输的方向）和横向的差别，这是光纤的基本特征。这个基本 特征决定了光纤中纵向和横向场解的不同。对于正规光波导 ，它表现出明显的导光性质，而由正规光波导引出的模式的 概念，则是光波导理论中最基本的概念。
正交性：一个正规光波导的不同模式之间满足正交关系。
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
k 0
2 2
其中 代表 E 和H 在直角坐标系中的各个分量。
在推导的过程中，可以看到：影响光波导传输特 性的，主要是折射率的空间分布。
光波导的进一步分类
可根据折射率的空间分布，将光波导分类为：
正规光波导 （纵向均匀） 光波导 非正规光波导 （纵向非均匀）
横向分层均匀的光波导
n ( x ) cos ( x ) n ( 0 ) cos ( 0 ) 1 z 1 z
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。
第四章 光波导(光纤)传输理论PPT课件
概况一
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01
概况二
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02
概况三
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03
2
光波 ？是高频率的电磁波，其频率 为1014HZ量级，波长为微米量级。 光纤 ？是工作在光频的一种介质波 导，它引导光沿着与轴线平行的方 向传输。 电磁波的频谱图
3
图4.1 电磁波谱图4
可得光纤中导波特征方程：
[n12 1J'm(U)1K'm(W)][1J'm(U)1K'm(W)] n22UJm(U) WKm(W) UJm(U) WKm(W)
m2(11)(n12 11) U2 W2 n22U2 W2
(4.15) 35
对于弱导波光纤n2≈n1 ，则特征方程可简化为：
U 1J J'm m ((U U ))W 1K K 'm m ((W W )) m (U 1 2W 12) (4.16)
25
贝塞尔函数曲线 第二类修正贝塞尔函数曲26 线
2. U、W、V和β作用
（在光纤中引入的几个重要参数）
U叫导波径向（r向）归一化相位常数，它描述 了导波电场和磁场在纤芯横截面上的分布； W叫导波径向（r向）归一化衰减常数，它描述 了导波电场和磁场在包层横截面上的分布； V叫归一化频率，它是表示光波频率大小的无量 纲的量； β为导波沿光纤轴向传输时的相位常数。
(4.4) 24
在纤芯中应为振荡解，故其解取贝塞尔函数；在 包层中应是衰减解，故其解取第二类修正的贝塞 尔函数解。于是R(r)可写为：
R(r)Jm[n21k202]1/2r
R (r)K m [ 2n22k20]1/2r
ra
光电子技术基础04
包层膜产生的条件： 包层膜产生的条件： 0 < θi <θ13 θ 由 β = n1k0 sinθi
sinθi < sinθ13 = n3 / n1
不满足全 反射条件 n3
θi
β = n1k0 sinθi < n3k0
条件： 条件： 0 < θi <θ13 或 0 < β < n3k0 θ
n1 n2
θi
d
3、衬底模 、
由衬底入射到薄膜内的光波， 由衬底入射到薄膜内的光波，在 上界面经全反射后又折射回到衬底 即光波未被限制在薄膜中， 中。即光波未被限制在薄膜中，而 是辐射到衬底半无限空间中。 是辐射到衬底半无限空间中。 我们将这种电磁波称为衬底模 我们将这种电磁波称为衬底模
（b）包层模 ）
n3 倏逝波 z
薄层
n1
z
-d/2
d
衬底 n2
x
d
n3 n1 n2
n(x)
(2)、由于平板波导沿y方向尺寸较大，所以在理 、由于平板波导沿 方向尺寸较大 方向尺寸较大， 方向几何结构和折射率分布是 论上认为在y方向几何结构和折射率分布 论上认为在 方向几何结构和折射率分布是 不变的。 不变的。
薄膜波导的两种形式： 薄膜波导的两种形式： 两种形式 1、 非对称型： 、 非对称型： 衬底和包层材料不相同, 衬底和包层材料不相同 n3≠n2 2、 对称型： 、 对称型： 衬底和包层材料相同， 衬底和包层材料相同， n3=n2。例如都是空气。 。例如都是空气。
包层 n3 薄层 n1
x d/2 0 y -d/2 d
衬底 n2
图I 介质平板波导的横截面
导模： 10、导模： 条件： 条件： 900>θi ＞θ12 或n1k0＞β＞n2k0 θ 包层模: 20、包层模: 条件： 条件：θ13＞θi＞0 或 n3k0＞β＞0
第4章 光波导技术基础 4
(1)抗电磁干扰,电绝缘,耐腐蚀,本质 安全. (2)重量轻,体积小,外形可变. (3)测量对象广泛.目前已有性能不同的 测量温度,压力,位移,速度,加速度,液 面,流量,振动,水声,电流,电场,磁场, 电压:杂质含量,液体粮度,核辐射等各种 物理量,化学量的光纤传感器在现场使用.
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13
2.LD与光纤的耦合
(1)直接耦合 (2)透镜耦合
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14
二,探测器与光纤的耦合
2010-7-8
15
三,光纤连接
光纤的连接与通常的电线连接有重要区别.
2010-7-8
16
1,两根相同光纤连接时的损耗
所产生的连接损耗有对准损耗和反射损耗.图747示出两 根光纤的失准状态,有端面分离,轴错位和轴角倾斜.
20
2010-7-8
21
4.5 光纤应用
光纤通讯 测量 传输图像
2010-7-8
22
一,光纤的非通讯应用 1.照明:即把光源发出的光传输到一个或多 个其它地方用于照明. (1)汽车仪表盘指示照明. (2)汽车刹车传感器. (3)为处于不方便之处的物体提供照明. 2.盗窃报警系统. 3.图象传输:光纤束将用透镜成像在其入射 端面的像传输到另一处.内窥镜.
2010-7-8
40
放大电路
有许多种前端接收器放大电路设计,两种通用的 类型:低阻抗型和高阻抗型
2010-7-8
41
8.4和信息解码
对ASK模式调制信号,测量光的有无. PSK模式调制信号:利用干涉原理,与本地同频光 干涉,同相位产生亮点,不同相位产生暗点. FSK模式调制信号:利用干涉原理,与本地两种频 率光干涉,再比较;或只比较一种频率的光;或 利用滤光器选一种频率,有位1
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2.LD与光纤的耦合
(1)直接耦合 (2)透镜耦合
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二,探测器与光纤的耦合
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15
三,光纤连接
光纤的连接与通常的电线连接有重要区别.
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1,两根相同光纤连接时的损耗
所产生的连接损耗有对准损耗和反射损耗.图747示出两 根光纤的失准状态,有端面分离,轴错位和轴角倾斜.
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4.5 光纤应用
光纤通讯 测量 传输图像
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一,光纤的非通讯应用 1.照明:即把光源发出的光传输到一个或多 个其它地方用于照明. (1)汽车仪表盘指示照明. (2)汽车刹车传感器. (3)为处于不方便之处的物体提供照明. 2.盗窃报警系统. 3.图象传输:光纤束将用透镜成像在其入射 端面的像传输到另一处.内窥镜.
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放大电路
有许多种前端接收器放大电路设计,两种通用的 类型:低阻抗型和高阻抗型
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8.4和信息解码
对ASK模式调制信号,测量光的有无. PSK模式调制信号:利用干涉原理,与本地同频光 干涉,同相位产生亮点,不同相位产生暗点. FSK模式调制信号:利用干涉原理,与本地两种频 率光干涉,再比较;或只比较一种频率的光;或 利用滤光器选一种频率,有位1
光波技术基础par最新课件
光波技术基础par最新课件
高锟（左）1998年在英国 接受IEE授予的奖章
•
1966 年 ， 高 锟 (C.K.Kao) 和 霍 克 哈 姆
(C.A.Hockham) 发 表 了 关 于 传 输 介 质 新 概 念 的 论 文
《用于光频的光纤表面波导》, 指明通过“原材料的
提纯制造出适合于长距离通信使用的低损耗光纤”
• 由于信息的获取在现代社会中日益增长的重要性，这 方面的研究开发工作也是导波光学应用的热点之一。
光波技术基础par最新课件
八十年代以来出版的部分参考书
• 光波导基本理论与计算： – 1. A. J. Adams, An Introduction to Optical Waveguides, John Wiley and Sons, New York, 1981. – 2. A. W. Snyder and J. D. Love, Optical Waveguide Theory, Chapman and Hall, London, 1983. – 3. H. A. Haus, Waves and Fields in Optoelectronics, Prentice Hall, 1984. – 4. T. Tamir, Guided-Wave Optoelectronics, 2nd Ed., Springer-Verlag, 1990. – 6. K. Okamoto, Fundamentals of Optical Waveguides, Academic Press, San Diego,2000. – 7. K. Kawano and T. Kitoh, Introduction to Optical Waveguide Analysis, John Wiley & Sons, New York, 2001.
高锟（左）1998年在英国 接受IEE授予的奖章
•
1966 年 ， 高 锟 (C.K.Kao) 和 霍 克 哈 姆
(C.A.Hockham) 发 表 了 关 于 传 输 介 质 新 概 念 的 论 文
《用于光频的光纤表面波导》, 指明通过“原材料的
提纯制造出适合于长距离通信使用的低损耗光纤”
• 由于信息的获取在现代社会中日益增长的重要性，这 方面的研究开发工作也是导波光学应用的热点之一。
光波技术基础par最新课件
八十年代以来出版的部分参考书
• 光波导基本理论与计算： – 1. A. J. Adams, An Introduction to Optical Waveguides, John Wiley and Sons, New York, 1981. – 2. A. W. Snyder and J. D. Love, Optical Waveguide Theory, Chapman and Hall, London, 1983. – 3. H. A. Haus, Waves and Fields in Optoelectronics, Prentice Hall, 1984. – 4. T. Tamir, Guided-Wave Optoelectronics, 2nd Ed., Springer-Verlag, 1990. – 6. K. Okamoto, Fundamentals of Optical Waveguides, Academic Press, San Diego,2000. – 7. K. Kawano and T. Kitoh, Introduction to Optical Waveguide Analysis, John Wiley & Sons, New York, 2001.
《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。
第4章 波导中的光波I
v v ⎧n × E = 0 ⎪v v ⎪n × H = α ⎨v v ⎪n ⋅ D = ρs v v ⎪n ⋅ B = 0 ⎩
分界面法 向单位矢
电力线与 界面正交
v v ⎧n × E = 0 ⎪v v ⎪n × H = α ⎨v v ⎪n ⋅ D = ρs v v ⎪n ⋅ B = 0 ⎩
传导电流 面密度
E x = A1 cos(k x x ) sin(k y y )e
ik z z
对于Ey，在x=0和y=0的界面上分别有：
E y = 0，
∂E y ∂y
=0
由 此 得 ： C1=0 和 D2=0 。 代 入 u(x,y) 式 ， 并 取 A2=C2D1得：
E y = A2 sin(k x x ) cos(k y y )e
显然，C1 和D1 ，C2 和D2 不能同时为0。假设波 导内壁分别位于x=0、a和y=0、b平面，下面根 据边界条件对分量Ex、Ey和Ez确定4个常数。 则E(x,y)的分量解可表示为：
对于Ex，在x=0和y=0的界面上分别有：
∂E x = 0 , Ex = 0 ∂x
由 此 得 ： D1=0 和 C2=0 。 代 入 u(x,y) 式 ， 并 取 A1=C1D2得：
§4.3 梯度折射率波导 §4.4 光纤
§4.1 金属波导
金属波导——即空心金属管。其截面通常为圆 形或矩形，主要用于传输微波。
我们知道
电磁波主要在导体以外的空间或绝缘介质 内传播，只有很小部分进入导体表层内。
良导体时电磁 波的传播行为
高频电磁波几乎 全部被反射，其 穿透深度趋于零。
导体表面构成电 磁波的自然边界。
沿z方向电磁场无界，其传播因子应具有平面 波形式，上述亥氏方程的解表示为
分界面法 向单位矢
电力线与 界面正交
v v ⎧n × E = 0 ⎪v v ⎪n × H = α ⎨v v ⎪n ⋅ D = ρs v v ⎪n ⋅ B = 0 ⎩
传导电流 面密度
E x = A1 cos(k x x ) sin(k y y )e
ik z z
对于Ey，在x=0和y=0的界面上分别有：
E y = 0，
∂E y ∂y
=0
由 此 得 ： C1=0 和 D2=0 。 代 入 u(x,y) 式 ， 并 取 A2=C2D1得：
E y = A2 sin(k x x ) cos(k y y )e
显然，C1 和D1 ，C2 和D2 不能同时为0。假设波 导内壁分别位于x=0、a和y=0、b平面，下面根 据边界条件对分量Ex、Ey和Ez确定4个常数。 则E(x,y)的分量解可表示为：
对于Ex，在x=0和y=0的界面上分别有：
∂E x = 0 , Ex = 0 ∂x
由 此 得 ： D1=0 和 C2=0 。 代 入 u(x,y) 式 ， 并 取 A1=C1D2得：
§4.3 梯度折射率波导 §4.4 光纤
§4.1 金属波导
金属波导——即空心金属管。其截面通常为圆 形或矩形，主要用于传输微波。
我们知道
电磁波主要在导体以外的空间或绝缘介质 内传播，只有很小部分进入导体表层内。
良导体时电磁 波的传播行为
高频电磁波几乎 全部被反射，其 穿透深度趋于零。
导体表面构成电 磁波的自然边界。
沿z方向电磁场无界，其传播因子应具有平面 波形式，上述亥氏方程的解表示为
光波导理论教学课件-4.1
临界状态:
2 0, k0n2
衬底出现辐射模：
2为虚数， k0n2
衬底和敷层出现辐射模： 2和3为虚数， k0n3
场解（TE模E ）y：ejzE E12ccooksks12(x(xxx12))
E3e3(xd)
0xd x0 xd
衬底：
d2Ey
dx2
k02n222
Ey
0
xa
2 2
2k02n22,
E2y E2e2xaejz
将上式中 Ey的解代入（4.12a) 和（4.12b)，可得三个区域中 的磁场分量的解
H
1x
0
E 1y
H
2x
E 2y
若 n2 n3 时底出现辐射，即
传播模： k0n2k0n1 只能取离散值—电磁场为离散谱
辐射模： 0k0n2 可取连续值—电磁场为连续谱
波导中的电磁场可表示为
m
m
k 0 n 2
E a lE TlE b lE TlM [a ()E T Eb ()E T] M d
dx
2
20 Ey az
H x
Ey 0
y
1
z
P
20
Ey
2
dx
P
2
E120dco2(ks1xx2)d xE2 2 0e22xd xE3 2d e23(xd)d x
0
4 0E12d1213Sde
（4）对称薄膜波导2 = 3 ，波形对称
4.1.7 导波的传输功率和有效厚度
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
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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。
光波导技术基础
10
2.杂质对材料电阻率的影响 半导体材料的电阻率与载流子密度和载流子的迁移率有关。 存在多种杂质，电阻率与杂质浓度的关系近似表示为
1 ( N A N D )e P
1 ( N D N A )e n
NA、ND：材料中受主和施主的 浓度；e：电子、空穴所带电量； p、 n：空穴、电子的迁移率。
9
§4-1-2 杂质对材料性能的影响 1.杂质对材料导电类型的影响 材料中共存施主和受主杂质时，它们将相互补偿，材料 的导电类型取决于占优势的杂质。 例如，锗、硅材料中， Ⅲ族杂质元素在数量上占优势时，材料呈现P型； Ⅴ族元素占优势时呈现N型； 材料中N型杂质和P型杂质的数量接近，材料呈现弱N 型或弱P型。 一些离子半导体材料，如大多数Ⅱ-Ⅵ族化合物，晶体 中的缺陷能级对半导体的导电类型起支配作用。
多晶料开始熔化到开始拉晶的时间为ti，则拉晶开 始时，熔体中的杂质浓度为
0 RAC EA EA CL (ti ) C0 exp( ti ) [1 exp( ti )] LAS EA LAS
29
第二阶段拉晶过程。
影响晶体中杂质分布的因素：杂质分凝、杂质蒸发和 坩埚沾污。
如拉出的单晶长为xL，根据（4-11）式，可把（4-12） 式写成
26
第一阶段, 坩埚沾污引起熔体中杂质变化
dCL RAc ( ) 沾污 dt V
x=0, V=LAS，Ac改用Ac0，上式改写成
RA 0 dCL c ( ) 沾污 dt LAs
杂质蒸发引起熔体中杂质变化为
dCL EA ( ) 蒸发 CL dt V（x）
蒸发面积
E：蒸发常数，负号表示蒸发使熔体中杂质浓度减少。
d
Si中的Au杂质能级
2.杂质对材料电阻率的影响 半导体材料的电阻率与载流子密度和载流子的迁移率有关。 存在多种杂质，电阻率与杂质浓度的关系近似表示为
1 ( N A N D )e P
1 ( N D N A )e n
NA、ND：材料中受主和施主的 浓度；e：电子、空穴所带电量； p、 n：空穴、电子的迁移率。
9
§4-1-2 杂质对材料性能的影响 1.杂质对材料导电类型的影响 材料中共存施主和受主杂质时，它们将相互补偿，材料 的导电类型取决于占优势的杂质。 例如，锗、硅材料中， Ⅲ族杂质元素在数量上占优势时，材料呈现P型； Ⅴ族元素占优势时呈现N型； 材料中N型杂质和P型杂质的数量接近，材料呈现弱N 型或弱P型。 一些离子半导体材料，如大多数Ⅱ-Ⅵ族化合物，晶体 中的缺陷能级对半导体的导电类型起支配作用。
多晶料开始熔化到开始拉晶的时间为ti，则拉晶开 始时，熔体中的杂质浓度为
0 RAC EA EA CL (ti ) C0 exp( ti ) [1 exp( ti )] LAS EA LAS
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第二阶段拉晶过程。
影响晶体中杂质分布的因素：杂质分凝、杂质蒸发和 坩埚沾污。
如拉出的单晶长为xL，根据（4-11）式，可把（4-12） 式写成
26
第一阶段, 坩埚沾污引起熔体中杂质变化
dCL RAc ( ) 沾污 dt V
x=0, V=LAS，Ac改用Ac0，上式改写成
RA 0 dCL c ( ) 沾污 dt LAs
杂质蒸发引起熔体中杂质变化为
dCL EA ( ) 蒸发 CL dt V（x）
蒸发面积
E：蒸发常数，负号表示蒸发使熔体中杂质浓度减少。
d
Si中的Au杂质能级
光电子技术基础 第4章 光波导技术基础
第4章光波导技术基础为使激光器发出的光直接或间接地为人类服务，需要将光源发出的光调制后传送到接收器，这当中最重要的是要有一种衰减尽可能小而且尽可能不失真地传输光的光路。
对于光电子技术来讲，用于发光的光源和将光转换成电的探测元件作为光电子系统的“发”端与“收”端，是不可缺少的重要器件，而用于各器件间光传输的介质光波导也是极其重要的，它将光限制在一定路径中向前传播，减小了光的耗散，便于光的调制、耦合等，为光学系统的固体化、小型化、集成化打下了基础，是光电子学向集成光电子学发展的主要基础知识，也是光纤通信的重要基础知识。
传统光学中常用空气作传输介质，用透镜、棱镜、光栅等光学元件构成光路来实现光的焦、传输、转折等。
但在长距离传输中，大气中的水分和气体等的吸收、水滴和粉尘等烟雾的散射等都很大，各种光学元件又存在菲涅耳反射等耗散，因而没有实用价值。
也有人曾试验过气体透镜：将圆管中充满清洁的空气，四周加热，调整气体流速以保持层流，用气体温差构成气体透镜，使通过的光向中心汇聚，不致耗散，但实现起来相当困难。
最终人们发现介质光波导可以用来引导光按需要的路径传播，并且损耗可以做到很小，这正如电流被限制在线路布线、电线等中传输一样。
介质波导常用的有平面(薄膜)介质波导、条形介质波导和圆柱形介质波导。
当工作于光波波段时，这些介质波导常称为平面光波导、条形光波导与光纤。
光纤分为阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤。
阶跃折射率光纤的原理由英国的Tyndall 于1854年提出，英国的Baird与美国的Hansell于1927年申请石英光纤应用专利。
向玻璃光纤输入光最早于1930年前后由德国人完成。
l958年，美国的Kapany设计了细束光纤，同年美国光学公司为减少光纤包层杂散光引入第二吸收鞘；1961年美国的Snitzer研制了光纤激光器。
1963年，日本的西迟等人申请了渐变折射率光纤专利，l968年日本玻璃板公司研制出产品。
l970年，美国Corning公司研制出20dB／km的低损耗光纤，从此之后，各公司为实现光通信的商用化，开展了大量光学元器件和传输通路的研制。
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2010-7-8
42
�
第4章 光波导技术基础 章
本章主要内容:
1.光波如何进入光波导?(模式的激励) 2.光波在光波导中如何传播?(模式分布) 3.光波导的基本特征参数及测试技术 4.光波导耦合技术 5.光波导中的非线性效应
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1
4.1 光纤原理
光纤是光导纤维的简称.它是工作在光波波段的介质波导, 通常为圆柱形. 光纤的传输特性由其结构和材料决定的.光纤的基本结构 是两层圆柱状媒质,内层为纤芯,外层为包层;纤芯的折 射率比包层的折射率稍大.当满足一定的入射条件时,光 波就能沿着纤芯向前传播.
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4.4光纤耦合
光纤是光传播的通道,在实际应用中必 须要与光源,光探测器耦合,必须与其 它光纤连接,还要根据不同的需要进行 传播方向的功率分配,合成及聚焦控制. 因此光纤耦合技术及满足不同要求的光 纤无源器件也是非常重要的.
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12
一,光源与光纤的耦合
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4.5 光纤应用
光纤通讯 测量 传输图像
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一,光纤的非通讯应用 1.照明:即把光源发出的光传输到一个或多 个其它地方用于照明. (1)汽车仪表盘指示照明. (2)汽车刹车传感器. (3)为处于不方便之处的物体提供照明. 2.盗窃报警系统. 3.图象传输:光纤束将用透镜成像在其入射 端面的像传输到另一处.内窥镜.
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位相调制(PSK):调制光束的位相,振幅和频 率保持不变.改变晶体电压来改变位相. 频率调制(FSK):改变光束频率△f.通过改变 LD电流可变化频率(直接调制).
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37
发射器件
一,LED 用于光纤通讯系统中的LEDs与用于光指示的那些LEDs相似, 但是他们有两个特性: 为了发射足够的光强进入光纤,它们的亮度必须很高; 如果要传输高的数据率,LEDs的上升和下降时间必须很小. 工作电流,发射耦合
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信息调制 用编码的电压或电流信号调制发射光源发射 的光,将信息以光波的形式发射出去.调制 的方式主要有三种:振幅调制,位相调制, 频率调制. 1. 振幅调制(ASK):通过改变光信号的有 和无来调制光.它分为回零(RZ)调制和不 回零(NRZ)调制.在激光器外部调制,或对 LED, LD直接调制.
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子午光线和螺旋光线. 子午光线在光纤内全反射满足的条件: sinφ0=n2/n1, φ≥φ0 在光纤入射端面,入射角为ψ,则根据折射定律有n0 sinψ=n1 sinθ, θ=90-φ,可得: NA表示数值孔径.由上式可见,NA愈大,ψ0 愈大, 可进入光纤并在其中传输的光愈多.NA表示光纤的同光能 力的一个参数.
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光纤的分类和特性
按折射率分布的方式 分类:阶跃折射率光 纤和梯度折射率光纤. 按传输的模式数量分 类:单模光纤和多模 光纤. 按传输的偏振态分: 单模光纤又可进一步 分保偏光纤非保偏光 纤.
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按制造光纤的材料分,有:①高纯度 熔石英光纤,其特点是材料的光传输 损 耗 低 , 有 的 波 长 可 低 到 0.2dB / km,一般均小于ldB/km; ②多组分玻璃纤维,其特点是芯-皮折 射率可在较大范围内变化,因而有利 于制造大数值孔径的光纤,但材料损 耗大,在可见光波段一般为:
(4)灵敏度高. (5)对被测介质影响小,这对于医药生物 领域的应用极为有利. (6)便于复用,便于成网.有利于与现有 光通信技术组成遥测网和光纤传感网络.; (7)成本低.有些种类的光纤传感器的成 本将大大低于现有同类传感器.
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二,光纤通讯
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1,光纤通讯特点
杂质离子的吸收 吸收损耗 本征吸收 损耗 制作缺陷 散射损耗 本征散射及其他
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图4.3.1
光纤总损耗及主要工作波长
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模色散:不同方向的光路径不同,到达的时间不同.
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2.材料色散:由于材料的折射率随光的波长变化, 不同频率的光在光纤中的速度不同.而所有光源发 射的光都具有一定的带宽,因此一个被传输的短脉 冲会扩展开来.
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(2)传光型光纤传感器
1,利用光纤作为传光元件将被测目标 发出的光或反射的光传到光电探测器上, 测量物体的光传导率,反射率,光强度, 以及利用测量这些物理量进行其它量的 测量和控制.比如测量血液中氧的含量, 尿液中各成分的含量等等.
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2,光纤传感器的主要特点
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信息编码
在模拟信号通讯中,可用模拟电信号直接调制发 光器件的驱动电流,光发射器件向光纤发射连续 变化的光信号.
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在数字通讯中需对输入的模拟电信号 进行编码,然后用编码后的电压信号 调制发光器件的驱动电流,光发射器 件向光纤发射脉冲形式的光信号. 编码就是在一定的时间间隔内对连续 变化的模拟信号进行采样,通过比较 等技术,用一串二进制数表示出来.
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二,LD:半导体激光二极管可产生比LEDs 高得多的光度输出,而且通常可有更高的 调制频率,然而它们比LED昂贵,驱动也 比LED复杂,仅用于高数据率和长距离通 信中.
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前端接收器
前端接收器包括光电转换器件和放大 电路. 一,光电转换器件 光电转换器件
P-i-n 二极管:正负掺杂夹本征材料.响应快. 雪崩二极管:灵敏度高,探测弱光 光三极管:成本低.缺点多.
(1)抗电磁干扰,电绝缘,耐腐蚀,本质 安全. (2)重量轻,体积小,外形可变. (3)测量对象广泛.目前已有性能不同的 测量温度,压力,位移,速度,加速度,液 面,流量,振动,水声,电流,电场,磁场, 电压:杂质含量,液体粮度,核辐射等各种 物理量,化学量的光纤传感器在现场使用.
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4.光纤用于测量
将光纤作为传感元件或传感器的一部分来 直接或间接测量物理量和其它其它量.光纤 传感器分为传感型光纤型和传光型两大类.
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(1)传感型光纤传感器
光波在光纤中传播时表征光波的特 征参量(波长,振幅,相位,偏振 态等)因外界因素(如温度,压力, 磁场,电场,位移,转动等)的作 用而间接或直接地发生变化,从而 可将光纤用作传感元件来探测各种 物理量.这就是传感型光纤传感器 的工作原理.
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放大电路
有许多种前端接收器放大电路设计,两种通用的 类型:低阻抗型和高阻抗型
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8.4和信息解码
对ASK模式调制信号,测量光的有无. PSK模式调制信号:利用干涉原理,与本地同频光 干涉,同相位产生亮点,不同相位产生暗点. FSK模式调制信号:利用干涉原理,与本地两种频 率光干涉,再比较;或只比较一种频率的光;或 利用滤光器选一种频率,有位1
1dB/m
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③塑料光纤,其特点是成本低,缺点 是材料损耗大,温度性能较差; ④红外光纤,其特点是可透过近红外 (1～5m)或中红外(～10m)的 光波:⑤液芯光纤,特点是纤芯为液 体,可满足特殊需要; ⑥晶体光纤,纤芯为晶体,可用于制 造各种有源和无源器件. 另外还有:发光纤维, 耐辐射光纤.
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四,光缆
光缆的目的是把许多光纤组合在一起,加 上机械保护和使之强度加大.在某些情况, 里面包含铜线,用以给中继器设备供电. 在光缆设计中一个重要考虑是确保光纤损 耗不随外壁对它的压力增加有显著变化. 外壁压力可能导致光纤有小的变形,这个 变型叫微弯,它会引起一些损耗.
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4.3 光纤特性
一,光纤的损耗 当光沿着光纤传播时,光的强度逐渐减弱的现象 称为损耗.主要原因是光纤材料中存在杂质,它 导致光波被吸收或任意角度散射.下表给出光纤 材料在特定波长处的损耗数据.
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光纤的损耗机理如下图所示
过度金属离子 OH-离子 紫外吸收 红外吸收 折射率分布不均匀 芯-涂层界面不理想 气泡,条纹,结石 瑞利散射 布里渊散射 喇曼散射
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2.LD与光纤的耦合
(1)直接耦合 (2)透镜耦合
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二,探测器与光纤的耦合
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三,光纤连接
光纤的连接与通常的电线连接有重要区别.
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1,两根相同光纤连接时的损耗
所产生的连接损耗有对准损耗和反射损耗.图747示出两 根光纤的失准状态,有端面分离,轴错位和轴角倾斜.
与常规电缆对比,光纤通讯系统有许多优 点. ——长的传输距离 ——高的信息携带能力(高数据率) ——无电磁干扰 ——安全——无能量泄露,电绝缘 ——重量轻 ——保密性能高,极不容易被窃听 ——耐腐蚀.
2010-7-8 3化,并仍以 惊人度速度向更高阶段发展.它不但 在很大程度上取代电缆作为电话通讯 的媒质,还成为现代互联网络的主要 传输介质.
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图748示出了数值孔径NA=0.2的两根相同的阶跃型光纤 连接时,因横向错位,端面分离和轴角倾斜引起损耗的计 算曲线.
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2,光纤叠接器
光纤叠接器是将两根光纤端面对端面地对准,然后用某种方法将 它们固定在一起.有许多种固定方法.如图851所示. 融接型固定法:图851(a)是利用电弧,火焰或激光将俩端面加热 熔化,然后靠它们的表面张力把它们精确地对准固定,形成永久 型连接器. 图851(b)机械固定法