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波导光学讲稿1-1 (1)

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《光波导理论与技术》课件

《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。

光波导1-1

光波导1-1
2 2 2
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)

光波导技术 第一章

光波导技术 第一章
3
光纤的发展
1966年，高锟和霍克哈姆发表的《用于光频的光纤表面波导》奠定 了现代光通信的基础。高锟被尊为光纤之父。
1970年，美国康宁公司制出对0.6328m波长的损耗为20dB/km的 石英光纤，从此介质波导在光纤通信、传感等领域得到了广泛的应 用。
之后爆炸性发展，从光纤损耗看
1970年，20dB/km 1972年，4dB/km 1974年，1.1dB/km 1976年，0.5dB/km 1979年，0.2dB/km
x
y
覆盖层
n3
导波层
n1
z
n2
衬底层
21
平板光波导分析方法
• 射线光学方法（几何光学） 射线理论分析法简单、直观、物理概念清 晰，并能得到一些光在光波导中的基本传 输特性。
• 波动方程方法（麦氏方程+边界条件） 要描述波导中的模场分布，则需用严格的 电磁场理论来分析
22
光的反射定律
[两种不同媒介的界面] 反射光线位于入射光线和法线所决定的平面内，反射光线和
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。
tg1( b )
• 全内反射(Total Internal Reflection, TIR)-光波导的物理基础
– 光角从大光于密某介一质角（度时n1），射会向出光现疏全介反质射（现n象2）。时，当入射
•
全反射临界角(critical angle)

第1章 光波导原理与器件概述PPT课件

第1章 光波导原理与器件概述PPT课件
长春理工大学
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。
长春理工大学
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
长春理工大学
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。
长春理工大学
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。

第1章--波导的模式

第1章--波导的模式
第1章波导的模式
1.简述光波导模式理论在优化设计和分析模拟光波导器件方面的重要性。
光波导是许多光电子器件的基本结构，如滤波器、波分复用器、路由器、波长变换器、调制器、开关、放大器、激光器等等，这些光电子器件在光通信网络中具有十分广泛的应用。在优化设计和分析模拟这些光电子器件时都要涉及到有关光波导模式的基本理论，因此了解和掌握光波导模式理论就显得十分重要。
17.给出平板波导TM模的边界条件。
在波导介质层的分界面处，电场和磁场的切线分量都是连续的。y方向和z方向都是介质分界面的切线方向，因此Hy0(x)和Ez0(x)在介质分界面处都是连续的。由分量关系式 可知，Ez0(x)连续相当于 连续。令第i层介质与第j层介质在x=a处存在一个介质分界面，则TM模在x=a处的边界条件可写为
求出其TE导模电场 的场分布函数和特征方程。
(1)场分布函数
(2)特征方程
式中
21.令三层平板波导的相对介电常数分布为
式中b为波导层厚度， 。试由亥姆霍兹方程
求出其TM导模磁场 的场分布函数和特征方程。
(1)场分布函数
(2)特征方程为
式中
22.什么是三层平板波导导模的功率限制因子?
导模的功率限制因子定义为波导芯中的传输功率P1与波导中的传输总功率P之比。功率限制因子 是一个衡量波导对光场限制程度的参量，功率限制因子越大，进入包层中的倏逝场就越小，光场就越集中在波导芯中，芯中的传输功率就越大，因而波导对光场的限制就越好。
2.光波导是怎样的一种器件？
我们知道，光束在介质中传输时，由于介质的吸收和散射而引起损耗，由于衍射而引起发散，这些情况都会导致光束中心部分的强度随传输距离的增大不断地衰减。光波导是这样一种器件，它能使光束的能量在横的方向上受到限制，从而能够引导光束沿特定的方向传输，并使损耗和噪声降到最小。光波导简称波导。

导波光学-1绪论

导波光学-1绪论

MCVD(Modified chemical vapor deposition) SiCl4+O2SiO2+2Cl2 GeCl4+O2GeO2+2Cl2 O2 Cl2 SiCl4 喷灯 O2和H2 移动 转 动
GeCl4
流量控制器
光纤拉丝
MCVD预制棒车床
光缆
几种新型光纤 (1)色散位移光纤
目前每公里光纤的售价 约为10美元，远远低于 铜线的价格。
路漫漫兮…...
从烽火台到 贝尔的光话（1880年）都由于没有良好的 相干光源和传输介质而作罢。 贝尔的电话技术（1876年）却发展迅速，成为通信的 主流 模拟电通信系统，占据电信领域的主导地位约一个 世纪。数字电通信系统，速率<10bit/s，有线或无 线，无线方式一般无需中继。
长城是世界古代史上最伟大的军事防御工程，在这个防
御体系中烽火台是通信系统。
烽火台
FTTx
¼ Ç · Ñ Ï µ Í ³ PSTN Í ø ¹ Ü Ï µ Í ³ FTTH
INTERNET
SWITCH ATM/ SDH
FTTB HDT FTTC/Z ONU FAITH DSLAM xDSL ONU
9.7 15.0 25.1 48.9 ~3GHz
有 无 无 无
长途干线 城/局域网 城/局域网 城/局域网
光纤通信的容量
目前两根光纤可以通一至两千万话路,在实验室中的 通信容量可高达10.92Tbps，相当于1.7亿数字话路。
每根光缆中有数十至数百根光 纤，为人类社会提供了前所未 有的最为廉价的信息光路，已 经远远超出了人类社会的需求。
VF
104
VLF
105
LF

光波导理论与技术讲义2


1.2.1 光线的传输路径及光线分类 光线在芯层中直线传 播，在芯层和衬底， 芯层和敷层的界面上 发生反射和折射
波导内的光线分为两类，即束缚光线和折射光线。
全反射临界角 c12
n2 sin n1
1
n3 c13 sin n1
1
衬底折射率n2大于敷层折射率n3，则必有 c12 > 在芯层中光线成为束缚光线的必要条件
式1.1 7

故对 S 求导式为：
切线方向上的单位 光程沿路径变化率
d ds
dr n(r) ds n(r)
光线方程
（1.1-8)
折射率梯度
光线方程是矢量方程，表示光线向折射率大的方向弯曲。
例1：光线在均匀媒质中的传播 dr 光线方程： d n(r) n(r) ds ds 因 n = 常数 d 2r n 0 改写成： 2
max n1 / c
可以估算不同路经传输导致的光脉冲展宽


式（1.1-6）称为程函方程； 相位梯度 r 方向与光波传播方向一致，其模等于 介质折射率； 程函方程给出波面变化规律： 在均匀介质中，光波传输方向不变； 在非均匀介质中，光波传输方向随折射率变。
1.1.2 光线传播路径方程


r ：光线传播路径S上某点的矢径 dr/ds:传播路径切线方向上单位矢量, 根据相位梯度的定义，矢量dr/ds方向 与相位梯度方向一致，大小等于：
r0
（ 3.6 ） 只要光纤折射率分布和入射点确定，就可计算光线轨迹。
x z
y
小结
程函方程：表示光波相位变化与介质折射率分布的关系
( r )2 n2 r
光线在均匀介质传播路径上无方向变化；在非均匀介质传 播路径上有方向变化。 光线方程： d ds

《波导理论基础》课件

矩形波导的传输损耗主要与波导的尺寸和材料有关，可以 通过优化波导尺寸和材料来降低传输损耗
矩形波导的色散特性主要与波导的尺寸和材料有关，可以 通过优化波导尺寸和材料来降低色散
矩形波导的模式特性主要与波导的尺寸和材料有关，可以 通过优化波导尺寸和材料来降低模式耦合。
矩形波导的应用
通信领域：用于传输信号，提高通信质量 雷达系统：用于探测目标，提高雷达性能 电子对抗：用于干扰敌方通信，保护我方通信安全 医疗领域：用于医疗成像，提高诊断准确性
色散补偿：通过调 整波导参数或结构 ，实现色散补偿， 提高信号传输质量
Part Four
矩形波导
矩形波导的结构
矩形波导是一种常见的波导结构，其截面为矩形。 矩形波导的尺寸包括宽度和高度，这两个参数决定了波导的传输特性。 矩形波导的传输模式包括TE模式和TM模式，其中TE模式是横波，TM模式是纵波。 矩形波导的传输特性可以通过计算其传输常数和色散曲线来获得。
圆波导的传输特性
色散特性：与波长、频率、 材料有关
传输损耗：与波长、频率、 材料有关
传输模式：TE和TM模式
模式转换：TE和TM模式之 间的转换
传输效率：与波长、频率、 材料有关
传输稳定性：与波长、频率、 材料有关
圆波导的应用
通信领域：用于传输信号，提 高通信质量
雷达领域：用于探测目标，提 高雷达性能
损耗与波长的关系：波长 越长，损耗越小
损耗与波导尺寸的关系： 波导尺寸越大，损耗越小
损耗与波导材料的关系： 不同材料的损耗不同，如 金属、陶瓷、塑料等
波导的色散特性
色散现象：波导中 不同频率的电磁波 传播速度不同，导 致信号失真
色散类型：色散可 以分为群速度色散 和相速度色散

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

第一章 光波导基本理论ppt课件

(b)
Evanescent wave
1
c
1
TIR
(c)
sin nn 1 ac nd total internal reflection (TIR).
2 c
1
[2.1-4]
11
▪ 思考：一只鱼或一个潜水员在水下仰望天空， 大概是什么样的？
12
鱼眼看天空
全反射
water
13
水下的天空
▪ 为什么图片中天空是这样的
1-d potential well (particle in a well)
• 离散能级 (能态) • 势阱越深将支持更多的能级
69
硅片上的条形波导
x Single-crystal Silicon
Silicon oxide cladding Silicon substrate
n Unfortunately quantum
tan
12
p
思考：κ和β分别具有什么物理意义？
k0n1 sin
k0n1 cos
65
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？
h k0n1h cos
思考：解的数量还和什 么因素有关？
还需满足解出的θ大于临界角
sin c
n2 n1
66
影响平板波导本征解数量的因素
Helmholtz equation:
[2x k02n2 2 ]U ( x) 0
Schrödinger equation:
[
1 2m
2x
V
E]
(x)
0
x
nclad
V
? ncore
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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
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
“光纤之父”----高锟博士 2009 诺贝尔 奖获得者
1966年：高锟博士发表他的著名论文“光频介 质纤维表面波导”首次明确提出:
带有包层的石英光学纤维, 通过改进制备工艺, 减少原材料杂质, 可使石英光纤的损耗大大下 降 , 并有可能拉制出损耗低于20dB/km的光纤, 从而使光纤可用于通信。
波导光学
刘晓华 xhliuxhliu@
绪论
“导光”的历史
中国古代烽火台 1854年：英国的廷达尔(Tyndall)就观察到
光在水与空气分界面上作全反射以致光随水 流而弯曲的现象； 1929-1930年：美国的哈纳尔(Hanael)和德 国的拉姆(Lamm)先后拉制出石英光纤并用于 光线和图象的短距离传输；
光波导理论
本章所要讲的重点内容： 折射率突变型二维波导 折射率渐变型二维波导 三维波导
光波导理论-折射率突变型二维波导
光波的传输方式
射线光学分析法 波动光学法
光波导理论-折射率突变型二维波导
光波的传输方式--射线光学分析法
射线光学方法：在光波波长可以忽略的极限情况下，可 以近似的认为光能是沿着一定的曲线传输的，用射线来 分析光波传播的方法称为射线光学方法或几何光学方法。 优点：用射线光学方法分析波导中光的传输，可以较简
光波导理论-折射率突变型二维波导
光波的传输方式--射线光学分析法
n 1 ＞n 2 ≥n 3
光波导理论-折射率突变型二维波导
光波的传输方式--射线光学分析法
在上下界面处的全反射临界角分别为：
c12
sin 1
n2 n1
c13
sin 1
n3 n1
光波导理论-折射率突变型二维波导
1、当
〈 〈
c 12
德国科学家让一根光纤的数据传输 速度达到每秒26T，相当于700张
DVD
Intel 50Gbps）的速度移动数据
硅光子学的通信领域应用取得里 程碑式进展，证实未来电脑可用 光束代替电子信号传输数据。英 特尔实现了世界上首个端至端硅 光子连接，这将对电脑设计产生 革命性影响，极大地提高电脑性 能和节约能源
微纳光纤
寂寞了二十多年的“集成光学”的概念重又 受到人们的关注，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。
3、当ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ〈1 c13 时，光波能量在上下两个界面都会发
生泄漏，称为衬底包层辐射模。
光波导理论-折射率突变型二维波导
光波的传输方式--射线光学分析法
单地得到一些有用的结论，并且比较直观。 缺点：不能导出电磁场严格理论的精确结果。
光波导理论-折射率突变型二维波导
光波的传输方式—波动光学分析法
波动光学分析法：由于射线光学方法不能确 定波导中的光场分布，所以必须利用波动光 学方法 ，利用波导边界条件求解波动方程， 得到光场分布及传输常数，从而更深刻的认 识光在波导中的传输特性。
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
按形状分：平板波导，条形波导，脊形波导，园 柱波导（光纤）
按折射率分：渐变型，突变型 按对称分：非对称型，对称型
平板波导
n3 n1 n2
园柱波导:光导纤维
纤芯 包层 涂覆层
护套层
单模：8 ~10mm 多模：50mm 62.5μm
125mm
245~250μm
外护层? À强度元件 内护层? 光纤 À缆芯
光波导理论的基本问题
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) 光波导有源与无源器件 光波导性能及非线性 光波导耦合技术 光波导技术的应用 光波导集成技术
光波导技术的迅猛发展
1970年,康宁玻璃公司(Corning Glass Co）率先研 制成功损耗为20dB/km 的石英光纤,取得了重要的技 术突破；
经过近30年的发展，光纤的损耗已经降至0.17dB/km (单模光纤）；
各种光波导器件在光纤系统中获得广泛应用，构筑 “信息高速公路” ，相关产业蓬勃发展，涉及邮电、 电子、电力、化工以及机械等行业，形成一个年产 值几千亿美元的巨大市场。
1
2
时，必然
1〉c13 即光线在上
下界面都发生全反射的情况，这样，电磁场将被限
制在薄膜层中，这种类型的称为导波或者导模。
2、当 c〈 13 〈 1 c12 时，光波在波导层和上
包层的界面上发生全反射，光波在波导层与衬底层
的界面上不发生全反射，而是由部分光波能量被泄
漏进入了衬底，此种方式称为衬底辐射模。