第1章 光波导原理与器件概述
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光波导原理pdf
光波导原理是一种重要的光学传输技术,它利用了光在介质中传
输的原理,将光信号通过光波导管线进行传输。
相对于传统的电缆传
输技术,光波导传输技术有着更高的传输速度、更低的信号衰减和更
强的抗干扰性能。
它已经广泛应用于通信、数据存储、医学诊断等领域。
光波导原理的核心是利用光的全反射特性,将光束限制在介质中
的一定范围内进行传输。
在实际应用中,通常使用高纯度硅材料作为
波导管的介质,因为它具有高的折射率和低的光损耗。
利用光刻技术,可以在硅片上制作出大小不一的光波导管线,形状包括直路、弯曲和
分支等结构。
当光信号通过光波导管线时,由于介质的高折射率,它
会被反射在介质表面,而不会穿透到空气中,因此能够有效地避免信
号的衰减和丢失。
通过不同尺寸和形状的光波导管线可以实现信号的分路、复用、
选择和整合等功能,从而实现复杂的光路控制和信号处理。
同时,光
波导管线还可以与其它光器件如光放大器、光调制器、光检测器等进
行集成,形成完整的光电子集成电路系统。
总之,光波导原理是一种高效、稳定、可靠的光学传输技术,应
用领域广泛,并在通信和信息技术行业中起着重要的作用。
包层n 2 芯区n 1 图1. 三层平面介质波导 图2. 矩形波导 图3. 圆光波导图4. 椭圆光波导光波导原理及器件简介摘要:20世纪60年代激光器的出现,导致了半导体电子学、导波光学、非线性光学等一系列新学科的涌现。
20世纪70年代,由于半导体激光器和光纤技术的重要突破,导致了以光导纤维通信、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技术的蓬勃发展,而导波光学理论是光通信技术的基础,同时也是集成光学、光纤传感等学科的基础。
本文简述了光波导的原理,并着重介绍光波导开关。
关键词:光波导,波导光学,平面光波导,光波导开光1.引言1.1光波导的概念波导光学是一门研究光波导中光传输特性及其应用的学科。
以光的电磁理论和介质光学特性的理论为基础,研究光波导的传光理论、调制技术及光波导器件的制作与应用技术。
导波光学系统是由光源、光波导器件、耦合器、光调制器及光探测器等组成的光路系统。
光波导是将光波限制在特定介质内部或其表面附近进行传输的导光通道。
简单的说就是约束光波传输的媒介,又称介质光波导。
介质光波导的三要素是:“芯/包”结构,凸形折射率分布(n1>n2),低传输损耗。
光波导常用材料有:LiNbO3、Si 基(SiO2、SOI )、Ⅲ-Ⅴ族半导体、聚合物等。
1.2光波导的分类按几何结构分类,光波导可分为:平面(平板)介质波导,矩形(条形)介质波导,圆和非圆介质波导。
按波导折射率在空间的分布分类,光波导可分为:非线性光波导(n=n(x,y,z,E)),线性光波导(n=n(x,y,z))。
线性光波导又可分为:纵向均匀(正规)光波导(n=n(x,y)),纵向均匀(正规)光波导(n=n(x,y))。
2.光波导的原理简介一种为大家所熟知的介质光波导就是通常具有圆形截面的光导纤维,简称为光纤。
然而,集成光学所注重的光波导往往是平面薄膜所构成的平板波导和条形波导,这里,我只讨论平面光波导。
最简单的平板波导由三层材料所构成,中间一层是折射率为 n1的波导薄膜,它沉积在折射率为 n2的基底上,薄膜上面是折射率为 n3的覆盖层,一般都为空气。
光波导原理
《光波导原理》
一、什么是光波导?
光波导是一种在光学和通信领域彻底改变了传输和传输的结构
的新型光纤,它具有非常宽的带宽,可以传输大量的经济实用的信息,是一种极具有应用前景的新型光纤。
二、光波导的结构
光波导是一种结构特殊的光纤,其基本结构包括:一个芯线和外面的聚合物层,两者夹在一起,芯线由透明的垫片和特殊折射率的金属包围,它可以导入和导出光,其基本原理是以一种精确的半径折射的金属结构将光纤管内的激光光从外部引入到管内,并可以在芯线的内部传播。
三、光波导的优点
1、光波导具有非常宽的带宽,可以传输大量的经济实用的信息。
2、由于金属结构的折射率可以很好地抑制外部干扰,它可以保证传输数据的稳定性。
3、它可以有效地减少传输信息需要的光纤的数量,因此可以节省建设成本。
4、由于光波导只需要很少的维护,使用寿命比传统光纤更长久。
四、光波导的应用
光波导的应用非常广泛,主要用于移动通信、数据传输、电缆系统等。
它可以将高清的视频信号、音频信号、电脑数据以及其他类型
的信号传输到不同的地方。
而且它可以在相同的线路上传输多种不同类型的信号,可以同时传输多路信息,可以有效地提高信息传输效率。
简明光波导模式理论光波导模式理论是光学领域中的重要理论之一,它主要研究光在波导结构中的传播模式和特性。
在本文中,我们将简要介绍光波导模式理论的基本概念、原理、种类和特点,以及在光电子学、光通信等领域的应用,并分析其优缺点及改进方向。
1、光波导模式理论的基本概念和原理光波导模式理论主要研究光在波导结构中的传播模式和特性。
波导结构是指能够约束和引导光波传播的介质层或光纤。
根据麦克斯韦方程组和波动光学理论,光波导模式理论可描述为在波导结构中传播的光波的电磁场分布和传播常数之间的关系。
在光波导中,光波的电磁场分布在横向和纵向两个方向上,因此光波导模式理论包括横向模态和纵向模态。
横向模态是指光波在波导结构横截面上的场分布,它包括多种模式,如基模、高阶模、辐射模等。
纵向模态是指光波在波导结构长度方向上的场分布,它描述了光波的传播行为,包括相速度、群速度、衰减等参数。
2、光波导模式的种类和特点根据光波在波导结构中的传播特性和横向模态,光波导模式可分为多种类型。
其中,常见的类型包括:(1)基模(Fundamental Mode):基模是波导结构中最基本的横向模态,它的场分布具有对称性,并且在横向方向上具有最小的光强分布。
基模的传播常数较小,具有最小的衰减系数。
(2)高阶模(Higher-order Mode):高阶模是波导结构中除基模以外的其他模态,它的场分布具有非对称性,并且在横向方向上具有较大的光强分布。
高阶模的传播常数较大,具有较大的衰减系数。
(3)辐射模(Radiation Mode):辐射模是波导结构中不限制光波传播的模态,它的场分布不受波导结构的限制,并且可以向外部辐射能量。
辐射模的传播常数最小,衰减系数也最小。
3、光波导模式在光电子学、光通信等领域的应用光波导模式理论在光电子学、光通信等领域具有广泛的应用价值。
例如,在光电子器件方面,光波导模式理论可用于分析器件的性能和使用条件。
在光纤通信方面,光波导模式理论可用于研究光的传输和信号处理。
光波导原理与器件 pdf1 光波导原理与器件概述光波导器件是指使用光波导技术制作的光学器件,其中的光波导是指利用材料中的反射率差,将光线引导至其它位置的一种光学引导结构。
通过这种方式,可以对光的传输进行有效的控制,因此光波导器件在光通信、光计算、光储存等领域有广泛应用。
2 光波导原理2.1 光波导的基本特点光波导是利用介质的光学性质来引导光线传输的结构。
光波导具有以下基本特点:- 包含一定的光波导结构,可以固定或调整光的位置和方向。
- 光波导结构必须能够比周围介质具备较高的折射率。
- 光的传输速度决定了光波导的尺寸,因此其相对于微观器件较大。
2.2 光波导的工作原理光波导的工作原理基于光的反射和折射原理。
当光线遇到介质表面的变化时,存在反射、折射和透射三种情况。
其中反射光在界面内传播,而折射光从界面上进入另一种介质中传播。
在光波导器件中,折射率高的材料被用作光波导,通常是通过将光束引导至介质的边界或者将光波导区域中的介质密度改变,使得光光束被抑制在其中,并且可以沿着这些通路传播。
3 光波导器件3.1 基于硅的光波导器件基于硅的光波导器件是最常用的光波导器件之一,主要应用于光电子集成电路和光纤通信中。
此类器件通高度制备工艺的要求,但其表现出的稳定性、实用性和成本优势得到了充分的认可。
该光波导器件的工作原理是将光束通过集成光波导引导到芯片上,同时光波导上的金属导线和其他器件可以与其相互作用,使得光子在电信号控制下具备更高的能量,可以实际应用。
这种器件被广泛用于光速转换、光遗传学、激光雷达、安全监控等领域。
3.2 其他光波导器件除了基于硅的光波导器件外,还有许多其他类型的光波导器件,例如光导纤芯、有机光波导器件等。
光导纤芯是另外一种基于光波导原理制作的光学器件,其结构类似于光纤,但其光导芯中注入高折射率材料,使得光波可以在其中定向和转移。
这种器件由于可以弯曲和弯曲裂缝,因此被广泛应用于光学传感、光纤通信和微模工艺制造等方面。
图书基本信息书名:<<光波导原理与器件>>13位ISBN编号:978730227352310位ISBN编号:7302273529出版时间:2012-1出版时间:清华大学出版社作者:宋贵才 等主编页数:220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 《光波导原理与器件》在介绍导波光学产生和发展概况之后,从光的电磁理论出发,系统、深入地论述了光在光波导中传播时发生的基本现象和遵循的基本规律,同时阐述了光波导器件的原理、结构、制作技术和工艺。
全书内容共分7章:光波导原理与器件概述,光波导的理论基础,光波导元器件和传感器,光波导的制备技术,光波导耦合理论与耦合器,光调制和光波导调制器,光纤和光纤技术。
本着厚基础,重应用,使读者学以致用的理念,本书在重点讲述基本原理、基本概念和基本知识的基础上,全面、系统地讲述了光波导原理以及光波导器件的结构、功能、制作方法和相关应用。
《光波导原理与器件》可作为高等院校光信息科学与技术专业、应用物理学专业、电子科学与技术专业、光电子技术科学专业以及光学工程专业本科生的专业基础教材,也可供从事光学及相关领域学习和研究的师生和科技人员参考。
书籍目录第0章 绪论第1章 光波导原理与器件概述 1.1导波光学的发展 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 1.2导波光学系统构成及优点 1.2.1导波光学系统构成 1.2.2导波光学系统优点 1.3光波导器件的进展 1.3.1光波导宽带光调制器 1.3.2光波导开关 1.3.3光波导频谱分析器 1.3.4高密度信息读取器 1.4光波导技术研究热点和发展趋势 1.4.1光波导技术的研究热点 1.4.2光波导技术的发展趋势 小结 习题第2章 光波导的理论基础 2.1光波导种类 2.1.1按形状分 2.1.2按折射率分布分 2.2光波导的射线光学理论 2.2.1平面(板)光波导简介 2.2.2射线光学模型 2.2.3光入射到介质界面处的基本定律 2.2.4全反射时的相移 2.2.5平面光波导的导模 2.2.6模式本征方程的图解 2.2.7应用实例 2.3古斯?汉欣线移和有效厚度原理 2.3.1古斯?汉欣线移 2.3.2有效厚度 2.4光波导的电磁理论 2.4.1电磁过程的基本方程 2.4.2平面光波导中的亥姆霍兹方程 2.5折射率突变光波导的基本解 2.5.1te导模的场分布 2.5.2模式本征方程 2.6折射率渐变光波导的基本解 2.6.1平方律折射率分布 2.6.2指数律折射率分布 2.7条形介质光波导的基本解 2.7.1马卡提里近似 2.7.2exm,n模式分析 2.7.3eym,n模式分析 2.7.4有效折射律法 2.8圆柱形介质光波导的基本解 2.8.1光纤导模的基本解 2.8.2导引模的截止条件 小结 习题第3章 光波导元器件和传感器 3.1光路变换器 3.1.1光波导棱镜 3.1.2端面反射镜 3.1.3弯曲光波导 3.2功率分配器 3.2.1单模光波导型功率分配器 3.2.2多模光波导型功率分配器 3.3光波导偏振器 3.3.1金属包层 3.3.2各向异性晶体 3.4模分割器和模变换器 3.4.1方向耦合器型模分割器 3.4.2三层结构分支光波导 3.4.3y形分支光波导模分割器 3.4.4模变换器 3.5光波导型透镜 3.5.1模折射率透镜 3.5.2短程透镜 3.5.3费涅耳透镜 3.5.4微透镜阵列 3.6光波导传感器 3.6.1光波导温度传感器 3.6.2光波导压力传感器 3.6.3光波导微位移传感器 3.6.4光波导振动传感器 小结 习题第4章 光波导的制备技术 4.1光波导制作概述 4.1.1光波导导光薄膜材料 4.1.2光波导制作难点 4.1.3材料与制作技术 4.1.4光波导的结构、制作方法和特性 4.2光波导衬底材料及加工 4.2.1光波导衬底材料 4.2.2衬底材料的加工 4.3无源材料光波导的制备技术 4.3.1淀积技术 4.3.2置换技术 4.4有源材料光波导制备技术 4.4.1外延生长技术 4.4.2减少载流子浓度技术 4.5光路几何图形的加工工艺 4.5.1集成光路设计和加工工艺 4.5.2光路几何图形设计和加工工艺 4.6光刻技术 4.6.1光致抗蚀剂 4.6.2涂布抗蚀剂 4.6.3曝光方式 4.6.4显影和坚膜 4.6.5脱膜和腐蚀 4.7电子束扫描曝光法 4.7.1电子束致抗蚀剂 4.7.2电子束扫描曝光系统构成和特点 4.8光波导加工技术 4.8.1脱膜法 4.8.2腐蚀法 4.9条形光波导的制作方法 4.9.1条形光波导的结构及制作方法 4.9.2埋入型条形光波导的制作工艺流程 4.9.3脊型条形光波导的制作工艺流程 4.9.4加载型条形光波导的制作工艺流程 4.10条形玻璃光波导的制作 4.10.1埋入型条形玻璃光波导 4.10.2脊型玻璃光波导 4.10.3加载型玻璃光波导 4.11条形linbo3光波导的制作 4.11.1ti扩散linbo3光波导 4.11.2质子交换linbo3光波导 4.11.3linbo3光波导电极的制作 小结 习题第5章 光波导耦合理论与耦合器 5.1光波导耦合的基本理论 5.1.1模式耦合方程 5.1.2光波导耦合的微扰理论 5.2导模与辐射模的耦合 5.2.1导模与辐射模耦合分析 5.2.2输出耦合 5.2.3输入耦合 5.3棱镜耦合器 5.3.1棱镜耦合器的工作原理 5.3.2棱镜耦合实验 5.4光栅耦合器 5.4.1光栅耦合器的工作原理 5.4.2光栅耦合形成导波的条件 5.4.3光栅的制作方法 5.5楔形光波导耦合器 5.5.1楔形光波导耦合器的工作原理 5.5.2楔形耦合模型 5.6光波导耦合的其他方法 5.6.1直接聚焦耦合 5.6.2直接对接耦合 小结 习题第6章 光调制和光波导调制器 6.1光波导调制技术概述 6.1.1几个基本概念 6.1.2光调制的评价指标 6.2调制光的光谱分析 6.2.1调幅光频信号频谱 6.2.2频率调制的频谱 6.2.3相位调制的频谱 6.2.4强度调制的频谱 6.2.5脉冲调制的频谱 6.3电光调制技术 6.3.1几个基本概念 6.3.2线性电光效应 6.3.3电光相位调制 6.3.4电光强度调制 6.3.5电光高频调制 6.3.6行波电光调制 6.3.7电光偏转 6.4声光调制技术 6.4.1几个基本概念 6.4.2拉曼?奈斯衍射 6.4.3布拉格衍射 6.4.4声光调制器 6.4.5声光偏转 6.5光波导调制器 6.5.1基本机理 6.5.2电光波导调制器 6.5.3声光波导调制器 小结 习题第7章 光纤和光纤技术 7.1光纤产生及应用 7.1.1光纤初始阶段 7.1.2光纤实用阶段 7.2光纤的种类和结构 7.2.1光纤的种类 7.2.2光纤的结构 7.3光纤的制作技术 7.3.1光纤材料 7.3.2光纤预制棒制备 7.3.3光纤拉丝 7.3.4光纤涂覆 7.4折射率突变光纤的光线理论分析 7.4.1光纤中的光线 7.4.2光纤的数值孔径 7.4.3子午光线的时延差 7.5折射率渐变光纤的光线理论分析 7.5.1平方律光纤(自聚焦光纤) 7.5.2光线在光纤中的传播轨迹 7.6光纤的损耗 7.6.1吸收损耗 7.6.2散射损耗 7.7光纤的色散 7.7.1光纤色散的种类 7.7.2光波导色散 7.7.3多模色散 7.7.4材料色散 7.8光纤传感技术 7.8.1光纤传感器的基本原理 7.8.2光纤传感器的优点 7.8.3光纤传感器的种类 7.9光纤通信技术 7.9.1光通信技术的基本原理 7.9.2光纤通信的特点 小结 习题附录a 常用术语附录b 习题参考答案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。