光波导理论参考书

2π
λ
2 d n1 - n 2 - arctan a te = mπ 2
一、传输光波的波长和模阶数 二、波导参数---膜厚d及折射率n1，n2，n3. 波导参数---膜厚d及折射率n1，n2， ---膜厚 n1
光波导理论光波导理论-折射率突变型二维波导
例题：有一溅射玻璃波导，衬底玻璃折射率 n2=1.515，溅射玻璃折射率n1=1.620，包层 为空气，若溅射玻璃层厚度d=1.00um，其中 TE1和TE0 模的截止波长分别为多少？ 例题：与上题条件相同，若传输波长 λ1=1.3um，波导能传输几个导模？若 λ2=0.85um，又能传输几个导模？
光波导理论光波导理论-折射率突变型二维波导
波导中能传输的TE模数位： 波导中能传输的TE模数位 TE模数位
MTE = Int【
2π
λ
2 n1 - n 2 - 1/arctan a te + 1】 2
对于波长1.3um的光波，MTE=1.53， MTE=1， 对于波长1.3um的光波，MTE=1.53，故MTE=1， 1.3um的光波 即只能传输一个TE TE模 对于波长为0.85um 0.85um的光 即只能传输一个TE模，对于波长为0.85um的光 MTE=2，能传输两个TE TE模 波MTE=2，能传输两个TE模。
光波的传输方式-光波的传输方式 射线光学分析法
推导导模条件
d θ1 B’ B C’
D
A A’ E F C D’
图中用两条射线AB A’C’代表薄膜上表面的入射波 代表薄膜上表面的入射波, BC和 图中用两条射线AB 和A’C’代表薄膜上表面的入射波,用BC和 C’D’代表反射波,BB’和CC’则代表入射平面波的两个波阵面 代表反射波,BB’ 则代表入射平面波的两个波阵面, C’D’代表反射波,BB’和CC’则代表入射平面波的两个波阵面, 即等相位面.可以看出,若未经反射的入射光A’C’ A’C’和经上下界面 即等相位面.可以看出,若未经反射的入射光A’C’和经上下界面 两次反射的反射波BC 之间的相位差为2π的整数倍, 2π的整数倍 两次反射的反射波BC 之间的相位差为2π的整数倍,才满足谐振 加强条件. 加强条件.

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.

4
平板波导制作工艺

工艺：薄膜成型法（离子扩散、晶体生长）
以二氧化硅光波导为例： 1)采用火焰水解法（FHD）或者化学气相淀积工艺（CVD），在硅 片上生长一层SiO2，其中掺杂磷、硼离子，作为波导下包层； 2)采用FHD或者CVD工艺，在下包层上再生长一层SiO2，作为波导 芯层，其中掺杂锗离子，获得需要的折射率差； 3)通过退火硬化工艺，使前面生长的两层SiO2变得致密均匀； 4)进行光刻，将需要的波导图形用光刻胶保护起来； 5)采用反应离子刻蚀（RIE）工艺，将非波导区域刻蚀掉； 6)去掉光刻胶，采用FHD或者CVD工艺，在波导芯层上再覆盖一层 SiO2，其中掺杂磷、硼离子，作为波导上包层； 7)通过退火硬化工艺，使上包层SiO2变得致密均匀。
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jt
15
麦克斯韦方程组标量形式
在直角坐标系中研究，
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16
均匀平板波导中麦克斯韦方程组
由麦克斯韦方程组可知，Ez和Hz分别出现在两组方程中，不关联， 故平板波导中不存在EH或HE模。
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分析方法



射线光学理论 & 波动光学理论。 射线光学理论： 优点：对平板波导的分析过程简单直观，对某些物理概念 能给出直观的物理意义，容易理解。 缺点：对于结构复杂的多层波导射线光学理论不便于应用 ，或只能得出粗糙的结果。 波导光学理论： 能够全面、正确地分析各种结构的光波导的模式特性。 分析重点：平面光波导最重要的概念是模式，包括模式场 分布与相移常数（波动项）。

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

2 2 n12 n4
对于每套m和n值对应一个E 模和一个E 模,
x mn y mn
条型波导中导波模的最大数目为
N max 2 2k WA WB X A X B n n
2 2 1 2 2
n
2 1
n
2 4


2
12
成立条件：n2 n3 ; n4 n5
ky arctan 3y

n 1, 2,3
初始相位因子为
nk n k 1 1 x arctan arctan 2 n 2 n 2
2 5 x 2 1 5 2 4 x 2 1 4
ky 1 k y 1 y arctan arctan 2 2 2 3 2
k k n k k n
2 4x
2 2 0 3
2 2 0 4
k k n
2 5x 2
2 2 0 5
3.色散方程的导出
n12 4 x n12 5 x k x X A X B q arctan 2 q 0,1, 2,3 arctan 2 n4 k x n5 k x 2 y 3 y k y WA WB p arctan arctan p 0,1, 2,3 k k y y
k k x X A X B m arctan x 4x k arctan x 5 x m 1, 2,3
n 1, 2,3
2 2 n2 k y n3 k y k y WA WB n arctan 2 arctan 2 n n 1 2y 1 3y

作为光纤的补充：目前大多数电信运营商都采用
两条光纤连接来保证所构建的商业应用网的安全。 现在，运营商无需部署两条光纤链路，可以选择 FSO系统作为备份光纤的冗余链路，以节省投资。 接入应用：FSO也可以用在接入网中，例如吉比 特以太网接入。业务提供商可以使用FSO去旁路 本地环路系统，或当作LMDS或蜂窝网的回程链路。 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。
1999年初，济—青工程8×2.5Gb/s。 1999年4月，海口—三亚（国产设备）。
光纤的损耗已经降低到0.16dB/km。
现在40Gb/s系统已经商业化，实验室Tb/s 级
系统已经研制成功。
光纤通讯
Electrical to Light Light to Electrical
Input
FSO技术既能提供类似光纤传输的速率，又无需 在频谱等稀有资源方面有很大的初始投资； 激光技术的进步已经使耐用可靠的器件变得很便 宜，大大降低了FSO设备的造价；与光纤线路相 比，FSO系统不仅建设周期较短，成本也低很多， 大约是光纤到大楼成本的1/10-1/3。 在目前许多企业和机构都不具备光纤线路，但又 需要较高速率的情况下，FSO不失为一种解决 “最后一公里”瓶颈问题的有效途径。
光功率计
启动光缆
850 1300
连接
-19.0 dB
光源
850 nm多模
距离在3公里以下
1300nm多模
距离在5-8公里
1300或1550nm单模
考虑5公里以上 绝对超过8公里
无源器件
TX
dB 损耗
终端连接

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。

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。

反射波振幅：菲涅尔(Fresnel)公式：
rnn11ccooss11 nn22ccooss22
r//
n2cos1n1cos2 n2cos1n1cos2
r：振幅反射系数，角标“⊥”和“∥”分别表示电矢量垂直和平行于入射面。
4.1.1 光在介质界面的传播特性
n1 n2 且 1 c 时，产生全反射，其中：
光密媒质：反射波在界面发生相位突变，光强反射率 RR//rr*1，
光密媒质中的场由入射波和反射波叠加而成。入射波电矢量垂直入射面时：
入射电场：E y ( r , t ) E y e i ( t x k 1 r ) E p y e i ( t x k 1 x c 1 p k 1 o z s 1 ) i s
合成波电场 E 1 y r , t E y r , t E y r , t 2 A c h o e x i t s z
同理可得合成磁场：
H 1 xr,t2A si1 n co h sx eit z 1
H 1 zr,t i2A co 1ssih n x ei t z 1
光波导技术基础
学习重点： 平面波导：结构最为简单、直观与精练，便于建立清晰概念 光 纤：应用最广光波导，并且是典型的柱面结构。
电磁场分布特性： 芯区：集中 衬底与覆盖层：紧贴着芯区，沿芯区底外法线方向场指数衰减。
条件： 光波导：无源、无荷、线性、均匀、各向同性、不导电、无损介质界面 入射光：均匀平面波
又由于
Ey Ey
~r expi2
于是有
4.1.2 光密媒质中的波场——导波
E y r , t E y e i e x i t h x p z x p A e i t h x z x p E y r , t E y e i e x i t h x p z x p A e i t h x z x p