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光波导理论与技术_第六章

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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。
光波导理论与技术

光波导理论与技术

色散补偿光纤（DCF）
33
§6.6色散补偿
34
色散补偿光栅(DCG)
时延差t=2L/Ug 色散量D=t/B L：光栅长度 Ug：短波长光 速度 B：反射带宽
对于普通单模G.652光纤,在1550nm处色散值为负,光脉冲在其中 传输时，短波长的光（兰光）较长波长的光（红光）传播得快. 这样经过一定距离得传输后，脉冲就被展宽了。光纤chirp光栅 是很少能对色散进行有效补偿的器件之一，其原理是,当光脉冲 通过线性chirp光栅后,短波长的光的时延比长波长的光的时延 长,正好起到了色散均衡作用,从而实现了色散补偿,如上图所示。
石英系玻璃的折射率随波长的变化情况
ε0
群折 射率
6
群时延差(注意与折射率 关于的二阶导数成正比),
式中 , 称
§6.2材料色散
N
材料的归一化色散系数
7
§6.3单模光纤的色散及单模光纤的分类
单模光纤中只有主模式LP01，总色散由材料色散、波导色散、折射率剖面色散、以 及偏振模色散构成，前三项属于波长色散。这里的波长色散用D(λ)表示，单位为 ps/nm km, 即单位波长间隔的两个频率成分在光纤中传播1km时所产生的群时延差。
4
n = n +jn’
§6.2材料色散 在谐振点附近，介质产生强烈的吸收，所以工作频率 应该远离这些谐振频率，这样我们只要讨论折射率的 实部即可。折射率计算的近似公式为：
折射率对波长的导数为
3 3 5
§6.2材料色散 无界媒质中电磁波的相位常数为
无界媒质中电磁波的相速度 无界媒质中电磁波的群速度
重写第 p个模式群的相位常数 第 p个模式群传播单位长 度的群时延为
16
可求得第p个模式的时延
光波导理论与技术

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。
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_第六章

光波导理论与技术_第六章

第六章
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无源光器件
光纤连接器 光耦合器 光波复用、解复用器 光调制器 光滤波器、光开关、光隔离器、光衰减器
6.1 光纤连接器
• 单模和多模光纤连接器的插入损耗都可以做到小于0.5dB • 直接耦合式对端面间隙、横向位移敏感，易受污染。
光纤连接的损耗
1. 2. 3. 光纤的连接损耗（插入损耗）：连接器几何误差引 起的传输损耗； 光纤端面形状畸变引起的损耗 光纤结构参数失配引起的损耗22.来自光纤端面形状畸变引起的损耗
1
2
x1 x2 x
阶跃多模光纤端面间隙损耗：
k -1 L 10 lg 1 k 2 1 2
x1 x2 1 Lx 10 lg 1 a 2 2
3.
光纤结构参数失配引起的损耗 1) 两光纤直径不同引起的连接损耗，设多模光纤发 射纤芯半径为a1，接受纤芯半径为a2，则有：
设：
r1 r2 r
t1 t 2 t
则功率反射和透射系数各为： R
AiT exp j At 1 R exp j
r
2
T t
Ai T 2
2
R T 1
输出光强： I t KAt At
1 R
2
4 R sin
2
定义F-P腔功率传输系数为：
1 2


则：
At1 Ai h
At2 hAt1 Ai h 2
3
At3 h At1 Ai h
2

透射光幅振幅： At1 2 At At1 At 2 At 3 At1 1 h h 1 h
Ai t1t 2 exp j 1 h
第六讲：光波导理论

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

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
第六章光波导理论及器件

第六章光波导理论及器件


x
n3 n1 n2 z
c13 c12 i
i
ห้องสมุดไป่ตู้
引入 沿z方向的传播常数

k1
kz k1 sin i k1 n1k0
n2 k2 n1 k1
sin i sin c12
k2
z方向最大传播常数
则
k2 k1 n2 k0 n1k0
12
2 Ey x
2
( 2 2m ) E y ( 2 n2k 2 ) Ey 2 H y x 2 ( 2 n2 k 2 ) H y
k 0 m0
同样
TE波：只存在电场横向分量
令 H y 0 Ex 0 则TE波中，仅剩 Ey , H z , H x 且 Hx Ey m
j H z ( x) m ( A sin x B cos x),
A2 2 x m
e , ,
H z(2) ( x)
j 2 A2 m
e 2 x ,
H ( x)
A3 3 x m
e
x0
3 A3 3 x H z(3) ( x) jm e ,
9
复共轭

介质中
D E B mH
E ( x, y, z; t ) E ( x, y, z )e jt c.c. H ( x, y, z; t ) H ( x, y, z )e jt c.c.
E ( x , y , z ; t ) B ( x, y , z ; t ) t H ( x, y, z; t ) D( x, y, z; t ) t
正整数—模数
《光波导理论与技术李玉权版》第一、二章

《光波导理论与技术李玉权版》第一、二章

——自学《光波导理论与技术李玉权版》笔录第 1 章绪论 (2)1.1 光通讯技术 (2)1.2 光通讯的发展过程 (2)1.3 光通讯重点技术 (3)光纤 (3)光源和光发送机 (5)第 2 章电磁场理论基础 (7)2.1 电磁场基本方程 (7)麦克斯韦方程组 (7)电磁场界限条件 (8)颠簸方程和亥姆霍兹方程 (10)柱型波导中的场方程 (11)2.2 各向同性媒质中的平面电磁波 (13)无界平均媒质中的平均电磁波 (13)平面电磁波的偏振状态 (13)平面波的反射和折射 (15)非理想媒质中的平面电磁波 (16)2.3 各向异性媒质中的平面电磁波 (18)电各向异性媒质 (18)电各向异性媒质中的平面波 (18)2.4 电磁波理论的短波长极限——几何光学理论 (22)几何光学的基本方程—— eikonal 方程 (22)光芒流传的路径方程 (24)路径方程解的两个特例 (25)折射定律与反射定律 (28)第 1 章绪论1.1 光通讯技术光通讯的主要优势表此刻以下几个方面：（ 1）巨大的传输带宽石英光纤的工作频次为 0.8 ~ 1.65 m，单根光纤的可用频带几乎达到了200THz。

即即是在1.55 m邻近的低消耗窗口，其带宽也超出了15THz 。

（ 2）极低的传输消耗当前工业制造的光纤载 1.3 m邻近，其消耗在0.3 ~ 0.4dB/ km范围之内，在1.55 m 波段已降至 0.2dB / km以下。

（3）光纤通讯可抗强电磁扰乱，不向外辐射电磁波，这样就提升了这类通讯手段的保密性，同时也不会产生电磁污染。

1.2 光通讯的发展过程准同步数字系统（ PDH）同步光网络（ SONET）全光网络图 1.1.1 光纤通讯发展的三个阶段一个最基本的光纤通讯系统的构成：图 1.1.2 光纤通讯系统原理框架图1.3 光通讯重点技术1.3.1 光纤光纤是构成光网络的传输介质，当前通讯光纤所有都是以石英为基础资料制作的，它有纤芯、包层及保护层构成，横截面如图 1.1.3 所示。

导波光学

导波光学

导波光学清华大学电子工程系范崇澄等编著内容简介本书系1988年出版的同名教材的修改版。

全书由九章增至十二章，系统讨论了用于光通信、光传感和光信息处理的光波导的基本原理和特性。

内容包括光波理论的一般问题、平面与条形光波导、耦合波理论、阶跃和渐变折射率光导纤维中的场解、光波导中的损耗、信号沿光波导传输时的弥散、单模光纤中的双折射和偏振态的演化、光纤光栅、有源掺杂光纤以及光纤中的非线性等内容。

在叙述中强调基本物理概念和处理方法的思路，并介绍了本学科近期发展的某些重要成果。

本书适合于有关光通信、信息光电子学、电子物理、以及微波技术等专业的大学高年级学生及研究生阅读，并可作为有关领域的教学、科学研究和工程技术人员参考。

教学大纲总学时：60。

授课方式：讲课+自学。

主要内容（根据需要有所取舍）：第一章光导波理论的一般问题§1-1 导波光学的基本问题及研究方法§1-2 几何光学方法§1-3 波动光学方法及波动方程§1-4 电磁波在介质界面上的反射及古斯-汉欣位移§1-5 光波导中模式的基本性质§1-6 弱导近似§1-7 传播常数（本征值）的积分表达式及变分定理§1-8 相速、群速及色散特性§1-9 本地平面波方法§1-10 光束的衍射·几何光学及本地平面波方法的应用范围§1-11 介质波导与金属波导的若干比较第二章平面及条型光波导§2-1 用本地平面波方法平面光波导的本征值方程§2-2 用电磁场方法求解平面光波导§2-3 条形光波导的近似解析解§2-4 条形光波导的数值解法概述第三章耦合模理论§3-1 模式正交性的及模式展开§3-2 导波模式的激励§3-3 耦合模方程及耦合系数§3-4 耦合模理论的局限及其改进第四章导波光束的调制§4-1 光波调制的一般概念§4-2 晶体的电-光特性§4-3 光波导的电-光调制§4-4 定向耦合型调制器/开关第五章阶跃折射率光纤中的场解§5-1 数学模型及波动方程的解§5-2 模式分类准则及模式场图(本征函数)§5-3 导波模的色散特性及U值的上、下限§5-4 色散特性的进一步简化§5-5 弱导光纤中场的标量近似解—线偏振模§5-6 平均功率与功率密度§5-7 模式场的本地平面波描述第六章渐变折射率弱导光纤中的场解§6-1 无界抛物线折射率弱导光纤中场的解析解§6-2 WKB法求解导波模的本征函数及本征值§6-3 模式容积及主模式号·泄漏模§6-4 单模光纤的近似解法（一）——高斯近似§6-5 单模光纤的近似解法(二) -- 等效阶跃光纤近似（ESF）§6-6 单模光纤的近似解法(三) - 矩等效阶跃折射率近似及其改进§6-7 单模光纤的模场半径§6-8 单模光纤的截止波长第七章光波导中的传输损耗§7-1 损耗起因和损耗谱§7-2 本征吸收及瑞利散射损耗§7-3 杂质吸收§7-4 弯曲损耗§7-5 弯曲过渡损耗§7-6 连接损耗第八章信号沿线性光波导传输时的畸变§8-1 脉冲沿线性光波导传输时畸变的起因及描述方法§8-2 材料色散§8-3 g型多模光纤的模间弥散§8-4 单模光纤的色散§8-5 单模光纤的色散对系统色散的影响§8-6 新型石英系光纤第九章单模光波导中的双折射及偏振态的演化§9-1 双折射现象及其意义§9-2 双折射光纤的参数及其分类§9-3 光纤中的线双折射§9-4 光纤中的圆双折射§9-5 偏振态沿光纤的演化（一）—琼斯矩阵法§9-6 单模光纤中偏振态的演化(二)—邦加球法§9-7 偏振模色散在邦加球上的描述第十章光纤光栅§10-1 概述§10-2光纤布拉格光栅(FBG)的基本原理、结构和分析方法§10-3 常见的FBG§10-4 采样布拉格光栅(SBG)§10-5 长周期光纤光栅第十一章掺铒光纤放大器§11-1 引言§11-2 掺铒光纤放大器的基本工作原理与特性§11-3 EDFA内部物理过程的进一步讨论和Giles参数§11-4 EDFA的稳态工作特性§11-5 EDFA中的增益瞬态过程§11-6 EDFA的设计原则第十二章光纤中的非线性效应§12-1 引言§12-2 光纤中的非线性薛定鄂方程§12-3 光纤中的受激散射§12-4 光纤中的四波混频效应§12-5 自相位调制（SPM）§12-6 非线性色散光纤中信道内的噪声演化与调制不稳定性§12-7 信道间的串扰噪声：互相位调制(XPM)和受激拉曼散射(SRS) 结语。

《光波导理论》课件

《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。

光波导理论与技术说明书

图书基本信息书名：<<光波导理论与技术>>13位ISBN编号：978711510700810位ISBN编号：7115107009出版时间：2002-12出版时间：人民邮电出版社作者：李玉权,崔敏页数：343字数：538000版权说明：本站所提供下载的PDF图书仅提供预览和简介，请支持正版图书。

更多资源请访问：内容概要本书系统地讲述了目前发展比较迅速的光波导传输理论和光通信器件的工作原理。

本书的第1章是对光通信及相应的器件的一个概略介绍。

第2章是电磁场理论基础，介绍经典电磁理论的主要结论。

第3章是几何光学分析方法，讲述光波导中光的传播规律。

第4章讲述平面波导及条形波导的模式理论。

第5章介绍光纤的模式理论。

第6章讲述光纤的色散特性和色散补偿技术。

第7章是光纤的非线性传输理论，讲述光纤中重要的非线性效应。

第8章介绍光通信系统中常用的无源光器件的结构、工作原理和特性。

第9章讲述有源光器件的结构、工作原理及特性。

本书的作者长年为本科生和研究生讲授《光纤通信》、《光纤传输理论》课程，因此本书可以作为相关专业的本科生和研究生的教材。

对于从事与光纤通信相关工作的工程技术人员，本书也可以提供有益的参考。

书籍目录第1章 绪论1.1 通信历史的回顾1.2 光纤通信的产生和发展1.3 光通信关键技术1.3.1 光纤1.3.2 光源和光发送机1.3.3 光检测器和光接收端机1.3.4 光电集成和光集成技术1.4 光波技术的发展第2章 电磁场理论基础2.1 电磁场基本方程2.1.1 麦克斯韦方程组2.1.2 电磁场边界条件2.1.3 波动方程和亥姆霍兹方程2.1.4 柱型波导中的场方程2.2 各向同性媒质中的平面电磁波2.2.1 无界均匀媒质中的均匀平面电磁波2.2.2 平面电磁波的偏振状态2.2.3 平面波的反射和折射2.2.4 非理想媒质中的平面电磁波2.3 各向异性媒质中的平面电磁波2.3.1 电各向异性媒质2.3.2 电各向异性媒质中的平面波2.4 电磁波理论的短波长极限--几何光学理论2.4.1 几何光学的基本方程--eikonal方程2.4.2 光线传播的路径方程2.4.3 路径方程解的两个特例2.4.4 折射定律与反射定律第3章 光波导的几何光学分析方法3.1 均匀介质薄膜波导中光线的传播3.1.1 光线的传播路径及光线分类3.1.2 传播时延及时延差3.2 芯层折射率渐变的介质薄膜波导中光线的传播3.2.1 传播路径及光线分类3.2.2 传播时延及时延差3.2.3 举例3.3 阶跃光纤中光线的传播3.3.1 传播路径及光线分类3.3.2 数值孔径3.3.3 传播时延和时延差3.4 梯度光纤中光线的传播3.4.1 路径方程和光线不变量3.4.2 光线路径及光线分类3.4.3 本地数值孔径3.4.4 传播时延3.4.5 举例3.5 光纤与光源的耦合3.5.1 照射光源3.5.2 耦合效率3.5.3 提高光源耦合效率的措施第4章 薄膜波导和带状波导的模式理论4.1 均匀薄膜波导4.1.1 TE 模4.1.2 TM模4.1.3 传播模和辐射模4.1.4 截止参数4.1.5 单模传输和模数量4.1.6 导波场分布4.1.7 导波的传输功率和有效厚度4.1.8 对称薄膜波导4.1.9 本地平面波解释4.2 渐变薄膜波导4.2.1 无界的抛物线型折射率分布光波导的解析解??4.2.2 有界的抛物线型折射率分布光波导的解析解??4.3 条形光波导4.3.1 条形光波导的结构4.3.2 分析条形波导的马卡梯里方法4.3.3 Emn模4.3.4 Emn模4.3.5 截止条件与单模传输4.4 带状波导的近似分析方法?第5章 光纤的模式理论5.1 光纤中的电磁场方程 5.2 阶跃光纤的严格解--矢量模解 5.2.1 阶跃光纤的电磁场解 5.2.2 导波模的特征方程 5.2.3 导波模分类 5.2.4 导波模的截止参数和单模传输条件 5.2.5 远离截止状态时导波模的性态 5.2.6 色散曲线 5.2.7 导波模的场型图 5.3 阶跃光纤中的线偏振模5.3.1 线偏振模场解及特征方程 5.3.2 线偏振模特性5.3.3 LPmn模与矢量模之间的对应关系 5.3.4 LPmn 模的功率分布5.3.5 多模光纤中的模数量5.4 梯度光纤的解析解法5.4.1 抛物线型折射率分布光纤中的标量近似解5.4.2 相位常数5.4.3 模式群和模式数量5.5 光波导的数值分析方法5.5.1 有限元方法概要5.5.2 边界条件 5.5.3 计算举例5.6 模式的正交性和完备性 5.6.1 模式的完备性 5.6.2 模式的正交性5.7 微扰法 5.7.1 弱导光纤的微扰解 5.7.2 折射率分布有一均匀变化的情形5.8 模式的横向耦合理论 5.8.1 耦合模方程 5.8.2 耦合模方程的形式解 5.8.3 耦合系数的计算5.9 模式的纵向耦合理论 5.9.1 耦合模方程 5.9.2 纵向耦合特点5.10 单模光纤 5.10.1 阶跃型单模光纤 5.10.2 梯度型单模光纤 5.10.3 单模光纤的双折射和偏振演化 第6章 光纤的色散特性6.1 色散概述6.1.1 波长色散6.1.2 模式色散6.2 材料色散6.3 单模光纤的色散及单模光纤的分类6.3.1 色散系数6.3.2 单模光纤分类6.3.3 偏振模色散6.4 多模光纤的模式色散6.4.1 群时延差6.4.2 最佳折射率指数αopt?6.5 色散导致的光信号畸变及其对通信的影响6.5.1 光脉冲传播方程6.5.2 传播方程的形式解6.5.3 高斯光脉冲在色散介质中的展宽6.5.4 色散对通信容量的限制6.6 色散补偿6.6.1 后补偿技术6.6.2 预补偿技术6.6.3 在线补偿技术6.6.4 光均衡滤波6.6.5 偏振模色散的补偿第7章 单模光纤的非线性传输特性7.1 光波与媒质的非线性互作用7.1.1 电介质的极化7.1.2 媒质的非线性响应7.1.3 光纤的非线性折射率7.2 光信号的非线性传播方程7.2.1 光信号传播方程7.2.2 传播方程的数值解法7.3 自相位调制（SPM）7.3.1 非线性相移及频率啁啾7.3.2 群速度色散的影响7.3.3 SPM对通信的影响7.4 交叉相位调制（XPM）7.4.1 不同频率光波之间的耦合7.4.2 正交偏振模之间的耦合7.4.3 XPM对通信系统的影响7.5 光孤子传输7.5.1 孤子方程和孤子解7.5.2 暗孤子7.5.3 基态光孤子的传播特性7.5.4 光孤子通信7.6 四波混频(FWM)7.6.1 四波混频的形成机理7.6.2 参量增益7.6.3 四波混频的相位匹配条件7.6.4 四波混频对通信的影响及其可能的应用7.7 受激拉曼散射（SRS）7.7.1 受激拉曼散射的物理机理7.7.2 拉曼增益7.7.3 拉曼阈值7.7.4 短脉冲修正7.7.5 拉曼光纤放大器7.7.6 拉曼串扰7.8 受激布里渊散射（SBS）7.8.1 SBS的物理机理和布里渊频偏7.8.2 布里渊增益7.8.3 布里渊阈值7.8.4 SBS对通信的影响第8章 无源光器件8.1 光纤连接器8.1.1 光纤的连接损耗8.1.2 光纤连接器8.2 光耦合器8.2.1 全光纤耦合器的耦合原理8.2.2 光纤耦合器的性能参数8.2.3 耦合器的分类8.3 光波复用、解复用器8.3.1 光波复用、解复用器的性能参数8.3.2 复用、解复用器的结构原理8.4 光调制器8.4.1 电光调制8.4.2 声光调制8.4.3 磁光调制8.4.4 波导调制器和电吸收式调制器8.5 光滤波器、光开关、光隔离器、光衰减器8.5.1 光滤波器8.5.2 光开关8.5.3 光隔离器8.6 光纤光栅8.6.1 光纤光栅的写入技术8.6.2 掺杂光纤光敏性机理8.6.3 均匀周期光栅光学特性8.6.4 线性啁啾光栅光学特性8.6.5 非线性效应8.6.6 光纤光栅的应用第9章 有源光器件9.1 半导体激光器的工作原理9.1.1 半导体中光发射的物理机理9.1.2 半导体PN结及其能带结构9.1.3 异质结及直接带隙半导体材料9.1.4 半导体激光器的基本结构及阈值条件9.1.5 激光器的谱宽和线宽9.2 半导体激光器的结构及工作特性9.2.1 条形结构半导体激光器9.2.2 单纵模激光器9.2.3 半导体激光器的工作特性9.3 半导体光电检测器9.3.1 光检测的原理9.3.2 PIN光电二极管9.3.3 雪崩光电二极管（APD）9.3.4 响应度和量子效率9.3.5 光检测器的响应时间9.3.6 光检测器的噪声9.4 光放大器9.4.1 半导体激光放大器9.4.2 非线性光纤放大器9.4.3 掺铒光纤放大器9.4.4 掺铒光纤激光器9.4.5 掺镨光纤放大器（PDFA）参考文献版权说明本站所提供下载的PDF图书仅提供预览和简介，请支持正版图书。

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。

光波导理论与技术 教学大纲

光波导理论与技术一、课程说明课程编号：140514Z10课程名称：光波导理论与技术/ Light Waveguide theory and Technology课程类别：专业教育课程学时/学分：32/2先修课程：大学物理、高等数学、激光原理等适用专业：光电信息科学与工程专业学生教材、教学参考书：1. 张民编. 光波导理论简明教程. 北京:北京邮电大学出版社.2011年；2. 马春生主编. 光波导器件设计与模拟. 北京:高等教育出版社. 2012年。

二、课程设置的目的意义光波导技术是光电信息科学与工程专业本科生的专业选修课。

本课程的目的是让学生了解和部分掌握光波导分析的基本方法以及光波导模式理论及色散理论在光波导器件、有源及无源器件等领域的重要应用。

为后续的专业课程提供有力的工具。

三、课程的基本要求本课程要求学生掌握光纤通信的基本概念，基本理论和基本技术；了深刻理解和熟练掌握光纤的波动理论；了解光缆的结构及分类；理解无源光器件的概念及工作特点；掌握光源的发光原理和发光特性。

四、教学内容、重点难点及教学设计五、实践教学内容和基本要求六、考核方式及成绩评定根据课程类型、课程性质、课程内容及特点，确定适合的考核内容、考核方式及成绩评定。

考核内容重点考核学生获取知识的能力、应用所学知识分析问题和解决问题能力、实践动手能力和创新能力等；考核方式采用多种形式（笔试、口试、答辩、测验、论文等）、多个阶段（平时测试、作业测评、课外阅读、社会实践、期末考核等）、多种类型（作品、课堂实训、课堂讨论、社会调查、竞赛等）等全过程的考核；成绩评定加大过程考核及阶段性考核成绩比例（原则上大于40%），减少期末成绩的占分比例。

本门课程平时过程考核占50%，期末考七、大纲主撰写人：大纲审核人：。

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2. 光纤端面形状畸变引起的损耗 3. 光纤结构参数失配引起的损耗
光纤连接器的损耗
1. 光纤的连接损耗（插入损耗） 1) 两光纤相对位置偏离引起的损耗 a) 横向偏移:
2a
d
连接损耗取决于偏移量和纤芯直径之比。
阶跃光纤： 梯度光纤：
L d 1l0g 2 arc c 2 d ao s2 d a 1 2 d a 2 1/2
第六章 无源光器件
• 光纤连接器 • 光耦合器 • 光波复用、解复用器 • 光调制器 • 光滤波器、光开关、光隔离器、光衰减器
6.1 光纤连接器
• 单模和多模光纤连接器的插入损耗都可以做到小于0.5dB • 直接耦合式对端面间隙、横向位移敏感，易受污染。
光纤连接的损耗
1. 光纤的连接损耗（插入损耗）：连接器几何误差引 起的传输损耗；
L d 1l0 g 2 arc 2 d a c o 2 d a s4 d a 2 6 5 d a 2
• 多模梯度光纤可简化成：
Ld 10lg12.35da2
• 单模光纤的传输模场近似为高斯分布时，可简化成：
例：
Ld
10lgexpd2 w
w是模场半径
多模光纤 2a=50m，=1%，要求连接损耗 Ld< 0.1dB， 则横向错位d < 3 m。 单模光纤 2a=10m，=0.3%，要求连接损耗 Ld< 0.1dB， 则横向错位d < 0.8 m。
b) 角度偏移
c) 阶跃多模光纤倾斜损耗：
Ld 10lg1k2
d) 梯度多模光纤倾斜损耗：
Ld 10lg13k82
2
单模光纤端面间隙损耗：
2
LS 10 lg1S21/2n2w2
2. 光纤端面形状畸变引起的损耗
1
2
阶跃多模光纤端面间隙损耗：
x1 x2 x
L1l0g 1k k-2 112
Lx 10 lg 121 2x1 ax2
3. 光纤结构参数失配引起的损耗
1) 两光纤直径不同引起的连接损耗，设多模光纤发
基于22耦合器级联的N N星型耦合器
2. 微型元件型：
3. 集成光波导型：
光源与光纤的耦合
6.3 光滤波器
用于波分复用技术 1. 基于干涉原理的滤波器：
▪ Fabry-Perot滤波器、 ▪ 马赫—曾德尔滤波器、 ▪ 多层介质膜滤波器； 2. 基于光栅原理的滤波器： ▪ 体光栅滤波器、 ▪ 阵列波导光栅滤波器（AWG）、 ▪ 光纤光栅滤波器、 ▪ 声光可调谐滤波器。
1. Fabry-Perot滤波器
• 结构：两平行介质板，内 表面为镀高反射膜的镜面，
反射系数各为 r1, r2，透射
系数各为 t1, t2。
• 透射波由幅振幅为At1， At2 At3 --- 光束组成。
每束透射波比前束相位延迟 φk02l4πn0 l，/λ振幅
减小，须乘因子 r1r2 。 令： h r 1 r2ex jp
At 1A iTReexxp p jj
输出光强：
It
KtA At
AiT2
1R2 4Rs
i2 nφ
定义F-P腔功率传输系数为：
2
τ It Ii
则： τ
1
1 4R/1-R2 sin2 φ
2
• 存在透射率为最大的峰值波 长0或峰值频率0；
0
2nL N
0
Nc 2nL
N为整数
• 峰值波长或频率等间隔排列， 谐振峰间的波长或频率间隔：
射纤芯半径为a1，接受纤芯半径为a2，则有：
La 2Biblioteka 10lga2 a1
0
a1 a2 a1a2
2) 两单模光纤：
La
10lg14aa12
a2 a1
2
2) 两光纤数值孔径不同引起的连接损耗：
LNA
10lg
N NAA12
10lg12
0
N1A N2A N1A N2A
3) 两光纤折射率分布不同引起的连接损耗
kn1/n0
e) 单模光纤倾斜损耗：
L d 1 le g 0 x n 2 w p / 2
f) 当要求 L < 0.1dB 时， 多模光纤 < 0.7，
g)
单模光纤 < 0.3。
c) 纵向偏移，两连接光纤端面间有间隙，只有部分能 量进入接受光纤
阶跃多模光纤端面间隙损耗：
S
LS 10 lg14Sak
6.2 光耦合器
1. 全光纤耦合器原理 拼接法（磨抛法）：关键是控制光纤包层磨抛量
优点：通过改变光纤拚合角度和磨抛量调整耦合强弱。 缺点：热和机械稳定性差 熔锥法：严格控制拉锥长度、熔区形状、锥体光滑
度。对输出光功率在线控制，性能好，成本低。
设：两耦合波导相同 k12k21k β1 β2
第二波导输入端振幅为零，两波导z 处的光功率为：
p1(z )p1(0)co 2ksz
p2(z)p1(0)si2n kz
不同长度可改变耦合波导 输出功率比
耦合比与拉伸长度有关，到第九个周期附加损耗达到0.5dB
耦合器分类
1. 全光纤型： • 在锥形区变细处，高阶模入射角超出临界角，经纤
芯—包层边界进入包层，成为包层模在包层中传输， 锥形区又变粗后高阶模又重新耦合进纤芯成为导模。
• 由于锥形区包层相同，因而高阶模功率均匀分配到 两根光纤的输出。
• 低阶模在纤芯中传输。 • 总分光比取决于锥形耦合区长度和包层厚度。
• 作用：将N个输入功率复合后再平均分配到M个输 出端口。用熔锥法形成，适合于多模光纤；
• 耦合特性对模式敏感，输出端口功率变化大；
• 用单模光纤难于精确调整多根光纤间的消逝场。
则： At1 Aih
At2htA 1Aih2
At3h2At1Aih3
透射光幅振幅：
A t A t 1 A t2 A t3 A t 1 1 h h 2 1 A t 1 h
Ait1t2 expj
1h
设： r1 r2 r
t1 t2 t
则功率反射和透射系数各为： Rr2 T t 2 RT1
2 0
2neff L
neff
n1
0
n
dn
d 0
• 峰值波长或频率在谐振腔中
• 设多模光纤发射纤芯半径为a1，接受纤芯半径为a 2， 则有：
Ln
10
lg
a2 a1 a1a2
2 2
0
a1 a2 a1a2
连接器端面接触形式
a) 平面接触形：简单、低成本，反射波明显，影 响性能
b) 物理接触型：球面接触，减少反射
c) 有倾角物理接触型：端面法线与轴线有倾角， 进一步减少反射