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光波导理论复习提要

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光波导理论与技术讲义

光波导理论与技术讲义
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。
光波导理论与技术讲义
尽管存在一些问题，但在低成本、快速 组网等方面具有较大优势的FSO的市场前 景非常广阔。在未来几年里，它将作为 一个主要的手段进入本地宽带接入市场， 特别是没有光纤连接的中小企业。据预 测，一两年内，FSO市场会形成一定规模， 到2005年可达到20亿美元。
光波导理论与技术讲义
光与
光通信的发展进程
*三千多年前，我国的周朝就有利用烽火台传递 信息的通信；
*1880年，贝尔发明光电话； *1960年，人类研制成功第一台激光器； *1970年，低损耗光纤由美国康宁公司研制成
功；
从此，进入了光纤通信迅猛发展的时代。
光波导理论与技术讲义
四个发展阶段
第一代：0.85μm的多模光纤(1976年，亚特 兰大 44.7 Mb/s);
光波导理论与技术讲义
空间光通信技术 (FSO)
光波导理论与技术讲义
*光纤通信与无线通信是当前的热门技术。
*一种新型宽带接入技术——自由空间光 通信系统（FSO：Free Space Optical communication system），是二者结合 的产物。
*FSO不是用光纤作为传输媒介,是在空气 中用激光或光脉冲在THz光谱范围内传送 分组数据的通信系统。
• 850纳米的设备相对便宜，一般应用在传输距 离不太远的场合。
光波导理论与技术讲义
安全保密性强。FSO的波束很窄，定向性非常 好，并且用户到集线器之间的链路通常是加 密的，安全保密性较强。
光波导理论与技术讲义
协议透明。FSO以光为传输媒介，任何传输协 议均可容易地叠加上去，对语音、数据、图 像等业务可以做到透明传送。

天津市考研光学工程复习资料光学与光波导技术核心知识点梳理

天津市考研光学工程复习资料光学与光波导技术核心知识点梳理

天津市考研光学工程复习资料光学与光波导技术核心知识点梳理光学工程是光学科学和光学技术在工程中的应用，涉及到光的传播、操控和应用等方面。

光学与光波导技术作为光学工程的核心知识，对于光学工程师的学习和应用具有重要意义。

本文将对天津市考研光学工程复习资料中的光学与光波导技术的核心知识点进行梳理和总结，帮助考生更好地备考。

1. 光学基础知识1.1 光的本质和特性光的本质是电磁波，具有波动性和粒子性的特征。

光的特性包括波长、频率、相速度、群速度等。

1.2 光的传播与衍射光的传播包括直线传播和衍射传播。

直线传播遵循几何光学原理，衍射传播遵循菲涅尔衍射原理和弗拉斯涅尔衍射原理。

1.3 光的折射和反射光在介质之间传播时会发生折射和反射现象。

折射遵循斯涅尔定律，反射遵循反射定律。

2. 光学仪器与设备2.1 光学元件与系统光学元件包括透镜、棱镜、反射镜等，光学系统包括光学仪器、光学设备等。

了解光学元件的种类、原理和特性，以及光学系统的设计和调节原理是光学工程师的基本要求。

2.2 光学测量光学测量包括几何测量和非接触式测量。

几何测量方法包括投影测量、视差测量等，非接触式测量方法包括激光测距、激光散斑等。

3. 光波导技术3.1 光纤传输技术光纤传输技术是一种利用光纤作为传输介质的通信技术。

了解光纤传输的基本原理、结构和特点，以及光纤连接和光纤通信系统的构建原理。

3.2 光波导器件与光电子集成光波导器件是利用光在介质中传输和控制的器件，包括光波导耦合器、光开关等。

光电子集成技术是将光学器件和电子器件集成在一起的技术，实现光电子互联。

4. 光学应用领域4.1 光学成像与显示技术光学成像技术包括光学显微镜、光学摄影等，显示技术包括LCD 显示和LED显示等。

了解光学成像与显示技术的原理和应用。

4.2 光学通信与激光技术光学通信是通过光波传输信息的通信方式，激光技术是一种利用激光器产生和控制激光的技术。

了解光学通信技术的基本原理和激光技术的应用。

光波导复习要点

光波导复习要点

复习与思考
1、光波导基本概念
光波导的定义和分类
对称波导与非对称波导
2、光波导的研究方法
几何光学方法
波动光学方法
3、介质对称圆波导（光纤）
变量分离波导中的场方程
射线方程广义折射定理光线分类
光纤结构、分类
数值孔径定义
纵向传播常数、横向传播常数
本征方程本质值本征解
模式的截止和远离截止条件
色散特性曲线分析
截止波长计算
弱导光纤条件模式总数估算
线偏振模的简并、模组、主模标号、导模场分布图（光斑）平方律分布GIOF的光纤轨迹特点
SIOF和GIOF基模场分布特点
WKB和ESF方法的基本思想
光纤损耗、色散和非线性效应的种类和机理
G．652，G．653，G．655光纤的比较
降低四波混频效应的措施
SBS和SRS对于密集波分复用光通信系统的影响
光纤连接损耗的来源
特种光纤性能特点
4、平板光波导
平板光波导结构、分类（均匀、渐变）、光纤轨迹
波导场方程、模式（只有TE和TM模）、场解特点（三角函数、韦伯函数）
截止波长计算、模式数目估算
双曲正割型平板波导具有自聚焦特性
5、条形光波导
马里兰卡近似法的近似条件和分析思路
低阶模的横向场分布图
带状光波导、设计线偏振半导体激光器的波导结构
6、光波导器件
典型光波导器件的原理与性能：
相同波长和不同波长的光纤耦合器、光纤隔离器、光纤环形器、自聚焦透镜、各种DWDM（F-P、AWG）、光放大器（EDFA、RFA）、设计光纤激光器
典型光波导器件在光纤通信系统中的应用
7、光波导信号处理
光调制技术分类和工作机理光复用技术分类和工作机理。

光波导理论与技术讲义(总结)(课堂PPT)

光波导理论与技术讲义(总结)(课堂PPT)

偏振模色散
1
2
束缚光线：0
z
cos1
n2 n1
; n2
n1
传播路径及分类 均匀介质薄膜波导
折射光线ccooss11
n2 n1 n3 n1
z z
cos1
n3 n1
; n3
2
;0
n3
n2
传播时延及时延差
=t/z=
max
n1
c cosz
n1 c
3
4
5
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
束 缚 光 线 ： 0
n
2 2
2 3
2
k
2 0
n
2 3
k xd
tan 1 2 kx
tan 1 3 kx
m
1 tan 1 2 1 tan 1 3 n
TM模的特征方程
2
kx 2
kx 2
kxd
tan1 2n12
kxn22
tan1
3n12
kxn32
m
1 tan1 2
2n12
kxn22
1 tan1 2
3n12
dr
；与z、都有关
ric [g(r)]1/2
11
自聚焦光纤
12
两种理论：几何光学理论 模式理论
四种介质：均匀平板波导 渐变平板波导 阶跃光纤 梯度光纤
影响光信号传输的三大因素：损耗 色散 非线性
两类器件：光无源器件 光有源器件
偏振模色散
13
TE模的特征方程
k
2 x
2
k
2 0
n
2 1
2 2
2
k
2 0
对HE11模 是主模式

光波导理论与技术讲义2

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

《光纤光学》复习提纲

《光纤光学》复习提纲

5.2 3dB损耗相当于光透射率是多少？
• 答：
P 10lg( out ) P in (dB/ km) α =− L
Po ut Pin
令L=1km，则透过率
=0.5
5.3 为什么长波长处光纤损耗小？ • 答： 1.对于本征吸收，紫外本征吸收>红外本征吸收 2.对 于散射损耗，其中瑞利散射损耗与波长的四次方成反比， 因此损耗随波长增大而减小。
5.4 一光纤长3.5km，测得其输入与输出功率分别为1mW和 298uW，求该光纤损耗值（dB/km）
•Байду номын сангаас答：
α =−
10lg(
P out 298 ) 10lg( ) P 1000 = 1.5(dB / km) in =− 3.5 L
光纤的损耗值为1.5dB/km.
5.6 为什么光纤在1.55um波长的损耗比1.3um波长小？ • 答：对于光纤材料的本征吸收损耗，由知增大，E减小， 则随波长增大，本征吸收减小，因此1.55um损耗小于 1.3um。 • 对于瑞利损耗，由于瑞利散射损耗与波长的四次方成反 比，因此1.55um波长的损耗要小于1.3um波长的损耗。
5.9 若已知一光纤的折射率与波长的关系为 n(λ) = aλ + b ，其 中a，b均为常数，该光纤是否存在材料色散？为什么？ • 解： 材料色散取决于折射率对波长的二阶导数。即： λ0 d 2 n Δτ n = − δλ 2 c dλ 而
d 2n dλ2
=0，
故 Δτ n=0，不存在材料色散。
• 解：
• 解：
3.10 标准通信光纤芯径50um，数值孔径0.2，求其中传输模 群的最大主模标号及存在的线偏振模，模式和模数。 • 解：

第六讲：光波导理论


几何光学分析
光线轨迹：锯齿形折线 图中平面波的波矢量为： （设n1> n2> n3) k1 | k |=k0n1 k1 = k0n1 sin θ = k0n1cosθ

x
k
β
d
θ
n3 n1
z
0 n2
29
根据全反射临界角的计算公式：



n2 c12 arcsin( ) n1 （1）导模条件：光线在上下界面都发生全反射。 c13 , c12 < < 求得 n2 k0 < < n1k0 2 （2）部分反射，光线在上界面发生全反射,下界面部分反射 有辐射模。（导模截止） c13 < < c12 有： n3k0 < < n2 k0 （3）在上下界面都发生部分反射。能量被同时辐射到上下 包层中去。 < c13 < c12 得到： < n3k0 < n2 k0
第六讲
集成光学理论
1
一、 集成光学概述
一、概念 集成光学是指利用平面光波导结构将光波 束缚在光波长量级尺寸的介质中，长距离无 辐射的传输。 并以此为基础集成不同结构与 功能的大量光子学器件。
2
二、光集成的类型
1、从集成方式上划分－－
“光－光集成”
和“光电集成”；
2、从集成形式上划分－－单片集成和混合集
d2 Z kz 2 Z 0 dz 2
2 kx kz2 k12 2 2 m k 2 （2）
（1）
31
场量可写为： E (r , t ) E ( x)e i ( z t ) H (r , t ) H ( x)e i ( z t )

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

光波导基础知识

光波导（optical waveguide）是引导光波在其中传播的介质装置，又称介质光波导。

光波导有两大类：一类是集成光波导，包括平面（薄膜）介质光波导和条形介质光波导，它们通常都是光电集成器件（或系统）中的一部分，所以叫作集成光波导；另一类是圆柱形光波导，通常称为光纤（见光学纤维）。

传输特性光波导是引导可见光段中的电磁波的物理结构。

常见类型的光波导包括光纤和矩形波导。

光波导可用作集成光路中的组件或用作本地和长途光通信系统中的传输介质。

光波导可根据其几何形状（平面、条带或光纤波导）、模式结构（单模、多模）、折射率分布（阶梯或梯度折射率）和材料（玻璃、聚合物、半导体）进行分类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。

实际应用的矩形几何光波导最容易理解为理论介质平板波导，也称为平面波导的变体。

平板波导由具有不同介电常数的三层材料组成，在平行于它们的界面的方向上无限延伸。

光可以通过全内反射限制在中间层中。

仅当中间层的介电指数大于周围层的介电指数时才会发生这种情况。

在实践中，平板波导在平行于界面的方向上不是无限的，但是如果界面的典型尺寸远大于层的深度，则平板波导模型将是非常接近的。

平板波导的引导模式不能被从顶部或底部界面入射的光激发。

光线必须从侧面注入中间层。

或者可以使用耦合元件将光耦合到波导中，例如光栅耦合器或棱镜耦合器。

引导模式中的一种模式是平面波来回反射的中间层的两个接口之间，入射角在光的传播方向和平行的或垂直的方向之间，在材料界面更大过临界角。

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。
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光波导理论复习提要
1.费马定理中光程取极值的情况（极大值与极小值）；
2.阶跃光纤数值孔径的计算和物理意义；
3.光线方程及利用光线方程求一维非均匀介质的光线轨迹；利用光线方程计算
典型抛物线折射率分布的薄膜波导中的光线轨迹，并分析其轨迹特点；
4.利用光线判据函数阐述阶跃光纤和梯度光纤中出现隧道光线时的理论依据。

5.利用边界条件以及电场的空间场分布，推导薄膜波导TE模的特征方程与电
场的横向分布情况。

6.什么叫色散，波导中各类色散的分类和成因以及几种典型的补偿方法；
7.光纤中模式的矢量解法：包括特征方程的推导（不要求数学推导），J-K图矢
量解法，截止限的求法，模式取值范围等
8.什么叫线偏振模，LP模的偏振基模光斑图像及LP模角标的应用于光斑图像
的意义，LP模的矢量模构成情况，LP模的简并情况以及计算。

9.双光纤模式横向耦合中，光纤1中的功率如何耦合进初始条件为零的光纤2
中，它们之间的功率传输有何数值关系；
10.三维矩形波导的马卡提里近似方法与有效折射率法（自学）
11.简述薄膜波导的几种重要制备方法：蒸发法，直流磁控溅射法，脉冲激光趁
机法；简述薄膜波导退火的作用。

12.简述光纤制备的方法和步骤。