平板光波导

第2章介质光波导分析方法2.1 平板介质光波导一般概念2.1 平板介质光波导一般概念波动理论法则是把平板介质光波导中的光波看作是满足波导边界条件的麦克斯韦方程组的解。

2.2 平板光波导分析的射线法振幅反射率和附加相移振幅反射率和附加相移S 波（TE 波——电矢量平行于界面）振幅反射率：光传播过程相位变化：光波不仅在介质中传播过程中相位会发生改变，在界面上反射时相位也会变化。

对于θ1 ＜ θ1c ，界面上发生全反射，此时上式的分子和分母中第二个平方根内为负数，因此得到的振幅反射率r 为复数。

1.106分子分母同乘k ）振幅反射率和附加相移振幅反射率和附加相移s 波（ TE波——电矢量平行于界面） 附加相移为：p 波（ TM波——磁矢量平行于界面）在界面发生全反射时引起的附加相移为：（1.145）（1.144）界面：n1、n2、n3的界面，不是入射面平板波导中的其他光场均可视为TEM 模：模式只有横向分量，而无纵导模特征方程导模特征方程入射光线两次反射后与入射光线同方向传输特征方程特征方程A、B 两点的距离为:C、D两点的距离为:光线CD 还经历了两个附加相移:分别是介质1、3 界面处全反射的附加相移ϕ3 和介质1、2 界面处全反射的附加相移ϕ2.平板光波导的特征方程：特征方程特征方程 界面处的附加相移会因入射光偏振方向的不同而有所差异，因此就能够得到两个不同模式下的特征方程电矢量平行于界面的导波式中：特征方程特征方程同样地，磁矢量平行于界面的导波TM 模的特征方程（代入ΦM2和ΦM3） ：这里采用的是简单光线传播的射线理论。

实际上，从麦克斯韦方程出发，结合介质界面处的边界条件也可以推导出以上特征方程。

引入的几个重要参数——都是θ的函数,得到一个光波模式的波矢就可以求解其他引入的几个重要参数——都是θ的函数,得到一个光波模式的波矢就可以求解其他纵向波矢横向波矢衰减系数< n 1kn 2k << n 1k2.3 平板光波导中的TE模TE模的电磁理论求解TE模的电磁理论求解平板光波导中的TE模仅有E y由麦克斯韦方程：(2.30)TE模的电磁理论求解TE模的电磁理论求解的式子因此可以将H的分量表示为Ey代入式(2.30)，可以得到关于Ey的波动方程，j = 1;2;3 表示分别是在芯层、衬底和覆盖层。

一种微通道矩阵光波导平板及其制备方法摘要本文介绍了一种微通道矩阵光波导平板及其制备方法。

该平板结构独特，通过多个微通道排列形成矩阵，能够有效地导引光信号。

制备方法简单易行，可以广泛应用于光通信等领域。

引言光波导平板是一种用于导引和控制光信号的重要光学元件。

传统的光波导平板往往采用光纤或者波导管等结构，其制备复杂且成本较高。

为了解决这一问题，本文提出了一种创新的微通道矩阵光波导平板及其制备方法，以实现更便捷、高效的光信号导引。

1.设计与结构本文设计的微通道矩阵光波导平板采用了独特的结构，具体包括以下几个部分：1.1光波导层光波导层是本平板的核心部分，用于导引光信号。

该层由高折射率材料制成，具有良好的光学性能。

1.2微通道矩阵微通道矩阵是平板中的关键组成部分，通过多个微通道的排列形成矩阵结构。

微通道的尺寸和间距可以根据需求进行灵活设计，以实现不同的光信号导引效果。

1.3外层保护层外层保护层用于保护光波导层和微通道矩阵，防止外界干扰和损伤。

2.制备方法为了制备这种微通道矩阵光波导平板，我们采用了以下步骤：2.1基板制备首先，准备一块适当尺寸的基板，可以选择高纯度的石英玻璃等材料。

保证基板表面的平整度和光学质量。

2.2光波导层制备将高折射率材料溶液均匀涂覆在基板上，并利用旋涂或者其他方法使其形成均匀薄膜。

然后，将其加热至适当温度，使其快速凝固形成光波导层。

2.3微通道制备在已制备的光波导层上，利用光刻技术创建微通道的结构。

具体步骤包括光刻胶涂覆、曝光和显影等。

2.4外层保护层制备在微通道矩阵的上方涂覆外层保护材料，并进行热处理，使其形成坚硬的保护层。

3.性能与应用展望通过对本文介绍的微通道矩阵光波导平板的制备和结构分析，可以得出以下结论：-本平板结构新颖独特，能够有效导引光信号；-制备方法简单易行，适用于工业化生产；-平板具有良好的光学性能和稳定性，可以应用于光通信等领域；在未来的研究和工程应用中，可以进一步优化平板结构和制备方法，以提高光波导性能和降低制造成本。

光波导技术基础光波导技术基础一、光波导的概念与分类光波导是一种利用光的全反射原理进行光信号传输的技术。

根据传输介质的不同，光波导可以分为光纤和光平板两种形式。

光纤波导是采用纤维材料进行传输，而光平板波导则利用具有高折射率的平板材料进行传输。

二、光波导技术的优点1. 大容量传输：光波导技术可以实现大容量的光信号传输，远远超过以往的传输方式。

这是因为光波导中的光信号可以在光纤或光平板中进行不断的全反射，几乎没有信号损失。

2. 抗干扰能力强：光波导传输的光信号在传输过程中不会受到外界电磁干扰的影响，从而保证了传输质量的稳定性。

3. 低衰减率：光波导技术中的光信号衰减率很低，可以减少信号在传输过程中的能量损耗，提高传输距离。

4. 高速传输：由于光波导中的光信号传输速度快，可达到光速的75%以上，因此光波导技术被广泛应用于高速通信领域。

三、光纤波导技术的基本原理光纤波导是利用纤维材料的全反射原理进行光信号传输的技术。

光纤是由内心区域（称为纤芯）和外层（称为包层）组成的。

光信号可以通过纤芯中的光波引导到目的地。

光纤波导的基本原理源于光的全反射现象。

当光从光纤的一端进入时，如果光线入射角度小于临界角，光会被光纤的纤芯全反射，然后沿着纤芯继续传输。

这种全反射的现象可以保证光信号不会损失，从而实现光信号在光纤中的传输。

四、光平板波导技术的基本原理光平板波导技术是利用具有高折射率的平板材料进行光信号传输的技术。

平板材料可以是晶体或者其他具有高折射率的材料，例如硅。

光平板波导的基本原理是将光信号引导在平板材料的表面上，形成一条被限制在平板内传播的光波。

当光信号被平板表面反射时，会发生总反射现象，并且沿着平板表面传播。

平板的结构和特殊设计可以控制光信号的传输路径和传输效果。

五、光波导技术的应用领域光波导技术在通信、光学传感、生物医学和光学计算等领域具有广泛的应用。

在通信领域，光波导技术被广泛应用于光纤通信和光纤传感领域。

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第一章平板波导的射线理论光束在介质中传输时，由于介质的吸收和散射而引起损耗，由于绕射而引起发散，这些情况都会导致光束中心部分的强度不断地衰减。

因此，有必要设计制作某种器件，它能够引导光束的传播，从而使光束的能量在横的方向上受到限制，并使损耗和噪声降到最小，这种器件通常称为光波导，简称波导。

结构最简单的波导是由三层均匀介质组成的，中间的介质层称为波导层或芯层，芯两侧的介质层称为包层。

芯层的介电常数比芯两侧包层的介电常数稍高，使得光束能够集中在芯层中传输，因而起到导波的作用。

这种波导的介电常数分布是陡变的，也称为阶梯变化的，常称这种波导为平板波导。

对光波导特性的分析，应用两种理论，即射线光学理论和波动光学理论。

射线光学理论的优点是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。

缺点是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。

一般而言，若想全面、正确地分析各种结构的光波导的模式特性，还必须采用波动理论。

光射线，简称射线或光线，可以这样理解：一条很细很细的光束，它的轴线就是光射线。

它的方向沿着光能流的方向。

光线与光束是不同的，光线是无限细的，光束则有一定的尺寸。

光线在均匀介质中的传输轨迹是一条直线，在非均匀介质中的传输轨迹是一条曲直线。

用射线去代表光能量传输路线的方法称为射线光学。

射线光学是忽略光波长的光学，亦即射线理论是光波长趋于零的波动理论。

本章将应用射线光学的基本理论对三层平板波导加以分析，目的是对波导的导波原理和与之相关的某些物理概念为读者给出直观的物理意义和清晰的理解，并为以后运用波动光学理论分析各种结构光波导的模式特性打好基础。

1.1 模式类型我们把波导中所能传输的电磁场型称为波导的模式，在平板波导中存在两种基本模式，一种称为TE 模，另一种称为TM 模。

两种模式用光的电场和磁场的偏振方向来定义比较直观。

选择电场只沿平行于波导界面的方向偏振，此时电场垂直于光的传播方向，是横向的，因而把这种模式称为横电模，英文为Transverse Electric Mode ，取其字头称为TE 模。

光波导1.集成光学：1)按集成的方式划分：个数集成和功能集成;2）按集成的类型划分：光子集成回路（PIC ）和光电子集成回路（OEIC ）；3）按集成的技术途径划分：单片集成和混合集成；按研究内容划分：导波光学和集成光路。

2.纤维光学（圆波导）和集成光学（平板波导、条形波导）是导波光学的两大分支。

3.传播常数β和有效折射率N=β/k 0=n 1sinθ是研究平板波导的重要参数。

4.平板波导的两种基本模式：TE 模：E y ，H x ，H z ；TM 模：H y ，E x ，E z 。

5.对称平板光波导中，基模无论如何都不截止；非对称的基模可能截止。

6.对于非对称波导，随着波长的增大，波导层厚度的减小，同阶数的TM 模先截止；对于对称波导，同阶数的TE 和TM 模一起截止。

7、一个平板光波导的波导层、衬底层和覆盖层折射率分别为1n 、2n 和3n ，若在波长λ下保持单模传输，波导层的厚度d 应在什么范围内选取？答案：单模传输的前提条件是非对称波导。

截止厚度计算式()()TE TE c TM TM c m d n n m d n n 22122212arctan 2arctan 2παλππαλπ⎧⎡⎤+⎣⎦⎪=⎪-⎪⎨⎡⎤⎪+⎣⎦⎪=⎪-⎩ 其中TE TM n n n n n n n n n n 2223221242223122312αα⎧-=⎪-⎪⎨⎛⎫-⎪= ⎪⎪-⎝⎭⎩ 所以TE c n n n n d n n 0222322122212arctan 2λπ⎛⎫- ⎪ ⎪-⎝⎭=-，TE c n n n n d n n 1222322122212arctan 2λππ⎡⎤⎛⎫-⎢⎥+ ⎪ ⎪-⎢⎥⎝⎭⎣⎦=-， TM c n n n n n n d n n 0222231223122212arctan 2λπ⎡⎤⎛⎫-⎢⎥ ⎪-⎢⎥⎝⎭⎣⎦=- 单模传输条件TE TE c c TM c d d d d d 010⎧<<⎪⎨<⎪⎩因为TE TM c cd d 00<并且TM TE c c d d 01< 所以波导层厚度的取值范围为TE TM cc d d d 00<< 即n n n n n n n n n n d n n n n 222222312322223121222221212arctan arctan 22λλππ⎡⎤⎛⎫⎛⎫--⎢⎥ ⎪ ⎪ ⎪--⎢⎥⎝⎭⎝⎭⎣⎦<<--8、一个平板光波导的波导层、衬底层和覆盖层折射率分别为1n 、2n 和3n ，波导层的厚度为d ，若只让0TE 模传输，波长λ应在什么范围内选取？答案：单模传输的前提条件是非对称波导。