光波导器件ppt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
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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。

高锟，华裔物理学家，生于中国上 海，祖籍江苏金山（今上海市金山 区），拥有英国、美国国籍并持中 国香港居民身份，目前在香港和美 国加州山景城两地居住。高锟为光 纤通讯、电机工程专家，华文媒体 誉之为“光纤之父”、普世誉之为 “光纤通讯之父”（Father of Fiber Optic Communications）， 曾任香港中文大学校长。2009年， 与威拉德·博伊尔和乔治·埃尔伍 德·史密斯共享诺贝尔物理学奖。
NA
sin
n1
2
1 2
光纤波导的数值孔径NA
5 光纤的传输特性
描述光纤传输特性的参数主要有光纤的 损耗和色散。
光纤的损耗
1966年7月，在高锟与G.A.霍克哈姆合作 的一篇论文中提出：“只要设法降低玻璃纤 维中的杂质，就能够获得能用于通信的传输 损耗较低的光导纤维。”
引起光纤的损耗的主要原因大致有光纤材 料不纯、光纤几何结构不完善及光纤材料的 本征损耗等。为此可将光纤损耗大致分为吸 收损耗、 散射损耗和其它损耗。
L
由单模光纤波长与损耗的关系曲线图可见， 在1.3 μm和 1.55μm 波长附近损耗较低, 且带 宽较宽。
光纤的色散特性
所谓光纤的色散是指光纤传播的信号波形 发生畸变的一种物理现象, 表现为使光脉冲 宽度展宽。光脉冲变宽后有可能使到达接收 端的前后两个脉冲无法分辨, 因此脉冲加宽 就会限制传送数据的速率, 从而限制了通信 容量。
§3.5 光波导
• 光波导是一个统称，光导纤维（光纤）是 目前在信息技术中应用最广泛的导波机构。
• 光波导属于介质波导，利用两种介质边界 条件导引光波的传输。
• 光纤与一般微波段使用的介质波导相比， 其工作频率要高得多（光波长为微米级）， 横截面的尺寸也小得多，所以称其为光导 纤维，简称为光纤。

(1
1 )2 1 )2
( t)2 (1 t ) 2
6.3 波导微环谐振器
“Control of Quality Factor and Critical Coupling in Microring Resonators Through Integration of a Semiconductor Optical Amplifier (SOA)”
intensity (@ 1569.239 5nm/)46
2、波导微环谐振器特性
Add-drop型波导微环谐振器
Drop
j
Drop
1 R
Add
Add
j
Inp ut
1 Through
直通端口输出强度函数
(1 ) (1 ) 2(1 ) cos() TT 1 (1 )2 2(1 ) cos()
Spectral response of GaAs–AlGaAs triple ring
IEEE J. of Lightwave Technology, vol. 20,
pp.900–905 , 2002 25/46
2、波导微环谐振器特性
全通型波导微环谐振器
周损耗因子
,
相位变化量
6.3 波导微环谐振器
光调制器、光波导放大器、激光器等
4/46
第六章 无源光波导器件
6.1 概述 6.2 波导光分路器 6.3 波导微环谐振器
第六章 无源光波导器件
6.1 概述 6.2 波导光分路器 6.3 波导微环谐振器
1、波导光分路器应用
6.2 波导光分路器
光纤到户（FTTH, fiber to the home）
104662波导光分路器2波导光分路器类型core3451933675114662波导光分路器2波导光分路器类型mmi型光分路器124662波导光分路器2波导光分路器类型mmi型光分路器134662波导光分路器2波导光分路器类型116mmi型光分路器144662波导光分路器2波导光分路器类型多模干涉型光分路器根据波导的色散方程可得到导模的纵向传播常数与横向传播常数的关系emxm是考虑古斯汉森位移后多模波导区各导模的有效宽度各导模的有效宽度可以用基模的有效宽度来近似clcococlcocococo154662波导光分路器2波导光分路器类型coco定义为基模和一阶导模的共振长度coco164662波导光分路器2波导光分路器类型设入射波导光场分布为则输入光波场进入到多模干涉区时可以展开为多模波导本征模式的迭加各个模式的权重系数相位因子多模干涉型光分路器其中1746平面光波导功率分路器plc62波导光分路器3波导光分路器产品1846平面光波导功率分路器plc62波导光分路器3波导光分路器产品1946第九章光纤接入网62波导光分路器3波导光分路器产品204662波导光分路器3波导光分路器产品214662波导光分路器3波导光分路器产品224662波导光分路器3波导光分路器产品61概述62波导光分路器63波导微环谐振器24461波导微环谐振腔器件63波导微环谐振器25461波导微环谐振腔器件63波导微环谐振器spectralresponsegaasalgaastripleringmeasuredfilterresponsetriplevcmrrieeelightwavetechnologyvol20pp152515292002ieeelightwavetechnologyvol20pp90090520022646nlfsrminmaxlog10nl2波导微环谐振器特性63波导微环谐振器全通型波导微环谐振器交叉强度耦合系数输出强度函数不同周损耗因子下的传输谱自由光谱范围3db带宽log2027461临界耦合特性可以实现陷波滤波开关调制等功能

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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。
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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
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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。
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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。

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

一维微分方程的解
1.3 介质中的麦克斯韦尔方程
• 电磁场与传播介质存在相互作用。物质的带电粒子在电磁 力的作用下状态发生变化——传导、极化、磁化
1.3.1 传导
• 导电介质（导体）：介质内存在可以在大于分子、原子的
宏观尺度范围内运动的自由电荷；
• 电介质：介质内只有被非常强的复原力紧紧束缚在原子结
均匀之分， m 为磁化率；
7) 对各向同性线性磁介质有：
B o H M 0 1 m H 0r H H
其中 0r —— 磁介质磁导率 r 1 m —— 相对磁导率
材料性质
材料名称
相对磁导率
顺磁物质 反磁物质 铁磁物质
铝 铜 铸铁 坡莫合金



ezx
ezy

ezz

xx xy xz
ε yx
yy

yz

zx zy zz
非线性光学
• 磁各向异性媒质：某方向的磁场不仅产生同方向的磁化， 而且产生其他方向的磁化，且各方向的磁化率不同。
• 极化率是二阶张量
M 0 χm H
1831年法拉第发现电磁感应现象：即时变电磁场的规 律，变化磁场可以在闭合回路中产生感应电动势：


d
dt
d dt
sB dS
闭合回路中的感应电动势也可以通过电场强度沿闭合
回路的积分求得： E dl L
•
所以有：
LE

dl

s
BdS t
微分形式：

E

J ：传导电流
：自由电荷密度
• 电磁感应定律：电场的涡源是随时间变化的磁场； • 全电流定律：磁场的涡源是位移电流和传导电流； • 高斯定律：电场的源是自由电荷，磁场是无源场。

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

(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

模式色散
同一模式的光在不同频率下具有不同的相速度，导致 模式色散。
04
光波导器件
光波导调制器
定义
应用
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。
在光纤通信、光信号处理等领域有广 泛应用。
工作原理
通过在波导中施加电场或磁场，改变 波导的折射率，从而实现对光的调制。
光波导放大器
电磁场课件-第三章光 波导
目 录
• 光波导的基本概念 • 光波导的原理 • 光波导的特性 • 光波导器件 • 光波导的发展趋势
01
光波导的基本概念
光波导的定义
总结词
光波导是一种能够控制光波在其中传播的介质，通常由折射率较高的材料构成。
详细描述
光波导是一种光学器件，其作用是引导光波沿着特定的路径传播。它通常由两种 折射率不同的介质构成，通过内层的高折射率材料和外层的低折射率材料的组合 ，使光波在界面上发生全反射，从而被限制在光波导内部传播。
模式传播
01
光波导支持多种光模式传播，每种模式具有不同的相位常数和
偏振态。
全反射
02
当光波的入射角大于临界角时，光波将在波导界面上发生全反
射，从而实现光的导引。
波导限制
03
光波导能将光限制在波导横截面内，防止光辐射到外部空间，
实现光的束缚。
光波导的损耗特性
吸收损耗
光波导材料对光的吸收导致光能转化为热能，造成光的损耗。
光波导器件的可靠
性
提高光波导器件的可靠性、稳定 性和寿命，以满足实际应用的需 求，降低维护成本和使用风险。
光波导技术的应用发展
光通信领域
利用光波导实现高速、大容量的信息传输，是未来光通信 的重要发展方向。