光波导技术14-03
光波导技术
光波导技术光波导技术摘要：光波导是引导光波在其中传播的介质装置，又称介质光波导。
光波导主要有集成光波导和圆柱形光波导两大类别，集成光波导通常都是光电集成器件或者光学系统中的一部分，所以叫作集成光波导；而圆柱形光波导实际上就是光纤，光纤对于外界的温度和压力等因素十分敏感，因而可制成光纤传感器，可以用于测量温度、压力等物理量。
关键词：光波导、集成光波导，光纤。
一.发展光波导技术的发展历程（1）导光的古老历史：早在1854年的英国注明学家丁达尔便观察到光随水流弯曲的现象，在其中是因为光在空气与水的分界面上发生全反射导致的。
（2）光纤之父高锟：高锟博士于1966年发表了“”光频介质纤维表面波导”这篇论文，并且在文中首次明确提出，可以通过改进石英光纤的制备工艺这种方式来减少所用原材料中的杂质，这样便可以让石英纤维的损耗大幅度下降。
并且有可能制造出损耗为20kbkm的光纤，从而让石英光纤应用于通信之中。
（3）在美国的康宁玻璃公司的马勒博士的研究小组在1970年成功研制出了损耗在20kbkm以下的光纤；近年来，随着光纤通信与光集成电路的快速发展，促进了光波导技术理论的进一步发展。
二.发展现状与趋势在现如今这个计算机技术与光纤通信技术迅速发展的时期，作为光纤通信所不可缺少的光波导材料与光波导器件也得到了快速的发展；（1）光开关：概要：光开关是一种具有一个或多个可选的传输端口并且可以对光纤传输线路中的光信号进行相互转换或逻辑操作的光学器件，是光网络和数字光处理的核心器件。
现状：随着光纤通信技术的发展，目前为止大多数的的通信业务都以转变为光纤传输。
而最近几年，网络业务行业呈现快速增长，网络业务的快速增长改变了IP网络层与底层传输网络的关系，并且对于整个网络来说，无疑是对其的组网方式、节点设计、管理和控制提出了更高的要求。
因此自动交换网络成为了系统研究的热点，它是一种智能化网络体系，它的核心节点由光交叉连接设备构成,通过光交叉设备,可以实现动态波长选路和对光网络灵活、有效地管理。
光波导技术
几何光学方法
E ( r ) exp[ jk ( r )] 将试探解 E 带入麦克斯韦方程中，可得程函 0 0
2
方程，它是几何光学的基本方程。 z 2 n ( x , y , z ) x y z
i
zc
2
1
–数值孔径: 定义光纤数值孔径NA为入射媒质折射率 与最大入射角的正弦值之积,即
2 2 NA n sin n n n i im 1 2 12
2 2 2 –相对折射率差: ( n n ) / 2 n ( n n ) / n 1 2 1 1 2 1 –约束光 z zc –折射光: z zc
光线的传播路径及光线分类
t
z
n3
i r
n1
n2
束缚光线：光线在两个界面上都满足全反射条件。
折射光线：光线至少在一个界面上不满足全反射条件。
全反射临界角： c12 sin1
n2 n1
n3 c13 sin n1
1
为方便起见，用光线与Z轴的之间的夹角表示射线的方向。若 假设衬底折射率大于敷层折射率，则光线可按下列形式分类：
光子集成 光电子集成 集成光路 光收发模块 光接入模块 光开关模块 光放大模块
广告显示牌 激光手术刀 仪表照明 工艺装饰 电力输送 光纤面板 医用内窥镜 潜望镜
研究方法
几何光学方法 适用条件 研究对象 基本方程 研究方法 主要特点 d 光线 射线方程 折射/反射定理 约束光线 波动光学方法 d 模式 波导场方程 边值问题 模式 谐振条件 分立的波矢 波矢 本地平面波方法
正交性：一个正规光波导的不同模式之间满足正交关系。
光波导理论与技术讲义
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。
光波导 光瞳拓展技术
光波导光瞳拓展技术
光波导是一种利用光的全反射现象传输光信号的技术。
它由一条透明的光纤中心芯和包围其周围的光纤包层组成。
光信号通过光波导沿着光纤传输，而不受传输距离和信号强度的影响。
光波导技术的一个重要应用是光纤通信，其中光信号可以在长距离内传输，保持较高的信号质量和传输速度。
光波导还广泛应用于传感器技术、医疗诊断、激光器等领域。
光瞳拓展技术是一种用于扩大光波导传输的光信号的方法。
在某些应用中，光波导的纤芯直径可能太小，无法传输足够多的光信号。
为了解决这个问题，光瞳拓展技术可以将光信号从一个小的光波导传输到一个大的光波导。
这可以通过一些光学元件（例如透镜）实现，这些元件可以扩大或聚焦光信号。
光瞳拓展技术可以提高系统中的光信号传输量，使光波导更适用于高容量的通信系统和其他应用。
它也可以用于改善光信号的传输质量和速度，并提高光纤通信系统的性能。
总之，光波导和光瞳拓展技术是光通信和其他光学应用中重要的技术，它们为高质量和高容量的光信号传输提供了有效的解决方案。
光波导的理论以及制备方法介绍
光波导的理论以及制备方法介绍光波导是一种通过光信号的传导来实现信息交互的技术。
它是利用光在介质中的传播特性来实现光的传输和调控的一种器件。
光波导已经成为现代通信、光电子技术和光器件研究领域中不可或缺的一部分。
光波导的理论基础是基于光在介质中的传播原理。
当光束通过介质分界面时，会产生折射现象。
这种折射现象可以用斯涅尔定律来描述，即入射角与折射角之间的正弦比等于两种介质的折射率之比。
光波导利用不同折射率的介质之间的折射现象，将光束从一种介质中导入到具有更高折射率的介质中，并通过光束的反射、折射和散射等效应，使光能够在介质中传播和传输。
制备光波导的方法有多种，包括经典的物理刻蚀法、化学沉积法、水热法等，以及现代的微电子加工技术和激光加工技术等。
下面将介绍几种常见的制备方法：1.光刻法：光刻法是一种常见的光波导制备方法。
它利用光刻胶的光敏性，通过光学曝光和显影，将需要刻蚀的部分暴露出来，然后使用物理或化学刻蚀方法将暴露的部分去除，从而形成光波导的结构。
2.离子注入法：离子注入法是一种通过离子注入技术来改变材料的折射率分布，从而形成光波导结构的方法。
它通过在材料表面注入高能离子，改变材料的折射率，并形成光波导结构。
3.RF磁控溅射法：RF磁控溅射法是一种通过溅射技术制备光波导的方法。
它利用高频电场对目标材料进行离子化，然后通过磁场聚焦离子束，使其瞄准到底片上，从而形成光波导结构。
4.激光加工法：激光加工法是一种利用激光器对材料进行加工的方法。
它通过调节激光的功率、扫描速度和扫描路径等参数，实现对光波导结构的制备。
激光加工法不仅可以实现直写制备光波导，还可以实现二光子聚焦制备光波导。
除了上述方法外，还有其他一些新型的制备光波导的方法，例如自组装法、溶胶-凝胶法、光聚合法等。
这些方法在光波导的制备中发挥着重要的作用，并为光波导的研究和应用提供了更多的可能性。
总之，光波导是一种基于光的传导原理来实现光信号传输和调控的技术。
光波导的理论以及制备方法介绍
光波导的理论以及制备方法介绍摘要由光透明介质(如石英玻璃)构成的传输光频电磁波的导行结构。
光波导的传输原理是在不同折射率的介质分界面上，电磁波的全反射现象使光波局限在波导及其周围有限区域内传播。
光波导的研究条件与当前科技的飞速发展是密不可分的，随着技术的发展，新的制备方法不断产生，从而形成了各种各样的制备方法，如离子注入法、外延生长法、化学气相沉淀法、溅射法、溶胶凝胶法等。
重点介绍离子注入法。
光波导简介如图所示为光波导结构图表1光波导结构如图中共有三层平面相层叠的光学介质，其对应折射率n0,n1,n2。
其中白色曲折线表示光的传播路径形式。
可以看出，这是依靠全反射原理使光线限制在一层薄薄的介质中传播，这就是光波导的基本原理。
为了形成全反射，图中要求n1>n0,n2。
一般来讲，被限制的方向微米量级的尺度。
图表2光波导模型如图2所示，选择适当的角度θ（为了有更好的选择空间，一般可以通过调整三层介质的折射率来取得合适的取值），则可以将光线限制在波导区域传播。
光波导具有的特点光波导可以用于限制光线传播光路，由于本身其尺寸在微米量级，就使得其有很多较好的特点：（1）光密度大大增强光波导的尺寸量级是微米量级，这样就使得光斑从平方毫米尺度到平方微米尺度光密度增大104—106倍。
（2）光的衍射被限制从前面可以看出，图示的光波导已经将光波限制在平面区域内，后面会提到稍微变动一下技术就可以做成条形光波导了，这样就把光波限制在一维条形区域传播，这就限制了光波的衍射，有一维限制（一个方向），二维限制（两个方向）区分（注：此处“一维”与“二维”的说法并不是专业术语，仅仅指光的传播方向的空间自由度，不与此研究专业领域的说法相混同）。
（3）微型元件集成化微米量级的尺寸集成度高，相应的成本降低（4）某些特性最优化非线性倍频阈值降低，波导激光阈值降低综上所述，光波导本身的尺寸优势使得其有很好的研究前景以及广泛的应用范围。
光波导的分类一般来讲，光波导可以分为以下几个大类别：图表3平面波导（planar）图表4光纤（fiber）图表5条形波导（channel）图表6脊型波导（ridge）上面介绍了几大类光波导形式，实际上这只是基本的几种形式，每一种都可以加以变化以适应不同环境及应用的需求。
光学波导技术在通信系统中的应用
光学波导技术在通信系统中的应用随着通信技术的高速发展，传统的电信系统已经逐渐无法满足人们的需求，而光通信系统以其高速、大容量、低损耗等优点作为未来通信的主要发展趋势。
而光学波导技术则是实现光通信系统的重要手段之一。
什么是光学波导技术？光学波导技术是利用光导纤维和光波导板来引导和传输光信号的技术。
它利用全反射的原理，通过与波导核心的折射率差异和形状的调整，使得光线可以在波导内部长距离地传输，也使光信号可以避免受到外界的干扰和损耗。
随着光通信系统的快速发展，光学波导技术被广泛应用于通信系统中。
光学波导技术在通信系统中的主要应用主要包括以下几个方面：1. 光通信系统光学波导技术是实现光通信系统的重要手段之一。
光传输过程中，由于光的波长很短，因此需要采用光学波导来实现光传输。
在光通信系统中，光学波导板被广泛应用于各种光器件中，如波长选通器、光开关、光放大器等。
2. 光模块光模块是指内部集成了光学器件和电学器件的集成模块。
光学波导技术可以用于光学器件的制造和集成，以降低光学器件的成本、提高性能和可靠性。
光学波导器件被广泛应用于光模块中，如编码器、解码器、分光器、衰减器等。
3. 光学传感器光学波导技术被广泛应用于光学传感器中，如温度传感器、压力传感器等。
光学传感器可以通过测量光场的强度、相位或极化状态等参数来实现对被测量物理量的探测。
光学波导技术的优点在于它可以使光信号避免被外界干扰和损耗，从而提高传感器的精度和稳定性。
4. 光学存储器光学波导技术还被应用于光学存储器中。
光学波导存储器利用光的全反射、衍射和干涉等原理实现信息的存储和读取。
光学波导技术可以使得光的传输和信息的读取变得非常高效和可靠。
总结光学波导技术是实现光通信系统的重要手段之一，同时也在光模块、光学传感器、光学存储器等领域得到了广泛的应用。
随着技术的不断发展，光学波导技术将会成为光通信、光电子等领域的重要支撑技术，推动信息产业的快速发展。
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
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平板波导应用
应用：集成光路（PLC）、光波导器件
铌酸锂晶体：具有良好的电光特性，在电光调制器中应用广泛。 InP材料：既可以制作光有源器件又可以制作光无源器件，被视 为光有源/无源器件集成的最好平台。 SOI材料：在MEMS器件中应用广泛，是光波导与MEMS混合集成的 优良平台。 聚合物波导：热光系数是SiO2的32倍，应用在需要热光调制的动 态器件中，可以大大降低器件功耗。 玻璃波导：具有最低的传输损耗和与光纤的耦合损耗，而且成本 低廉，是目前商用光分路器的主要材料。 二氧化硅光波导：具有良好的光学、电学、机械性能和热稳定性 ，被认为是无源光集成最有实用前景的技术途径。
d n0 n1 n2
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
几何光学分析
传播路径 光线分类 传播时延 时延差 数值孔径
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光线的传播路径
光线轨迹： 锯齿形折线 约束光线条件：
– 上界面全反射：θ10>θc10=arcsin(n3/n1) – 下界面全反射：θ12>θc12=arcsin(n2/n1) – 相位匹配：上下两次反射经历相移为2π整数倍 内全反射临界角： Sinθc10=n3/n1 Sinθc12=n2/n1
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均匀介质平板光波导
平面光波导是指组成光波导不同介质的折射率分布 的分界面是一些平面的光波导。 结构：y, z方向无限延伸 x方向（厚度）尺寸d接近于传输光波长量级 （数微米） 损耗1dB/cm左右 分类：
按照构成光波导的介质层数：三层、四层…平面波导 按照折射率分布：均匀（阶跃型）平面波导 非均匀（渐变折射率）平面波导
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TE模
（Ex=Ez=Hy=0）
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边值条件
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TM模
（Hx=Hz=Ey=0）
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m代表波导内的波节数目（完整的
半驻波）； m+1代表波导内的波腹数目； 波腹与波节总靠近折射率大的一侧； 当λ→0时，k0 →∞,则a2和a3 → ∞，即电磁场能完全集中于芯区， 这就是短波长情况。
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3. 平板光波导
参考书：《导波光学》 范崇澄 《光波导理论》 吴重庆
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光波导的分类
按光波导形状分类 光纤（圆柱形介质波导） 薄膜波导（平板波导） 条形波导（矩形波导) 带状波导 按折射率分布分类 均匀介质光波导 渐变折射率介质光波导
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平板波导制作工艺
工艺：薄膜成型法（离子扩散、晶体生长、刻蚀）
以二氧化硅光波导为例： 1)采用火焰水解法（FHD）或者化学气相淀积工艺（CVD），在硅片上生长一 层SiO2，其中掺杂磷、硼离子，作为波导下包层； 2)采用FHD或者CVD工艺，在下包层上再生长一层SiO2，作为波导芯层，其中 掺杂锗离子，获得需要的折射率差； 3)通过退火硬化工艺，使前面生长的两层SiO2变得致密均匀； 4)进行光刻，将需要的波导图形用光刻胶保护起来； 5)采用反应离子刻蚀（RIE）工艺，将非波导区域刻蚀掉； 6)去掉光刻胶，采用FHD或者CVD工艺，在波导芯层上再覆盖一层SiO2，其中 掺杂磷、硼离子，作为波导上包层； 7)通过退火硬化工艺，使上包层SiO2变得致密均匀。
+ tan −1
α3
+mπ
π
2 α −1 α 3 = tan −1 2 φ= , tan 令 φ3 2 kx kx φ2 + φ3 φ2 − φ3 ,φ 则k x = 2a 2 由于n2 > n3 , 故α 2 < α 3 , φ2 < φ3 当m = 0时， 波腹位置 φ2 − φ3 a<0 −a = < xm φ2 + φ3
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光线分类
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传播时延及时延差
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波动光学分析
ΤΕ/ΤΜ模 传播模和辐射模 截止参数 单模传输和模式数目 导波场分布 对称平板波导 本地平面波解释
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以玻璃光波导为例： 1)在玻璃基片上溅射一层铝，作为离子交换时的掩模层； 2)进行光刻，将需要的波导图形用光刻胶保护起来； 3)采用化学腐蚀，将波导上部的铝膜去掉； 4)将做好掩模的玻璃基片放入含Ag+－Na+离子的混合溶液中，在适 当的温度下进行离子交换，Ag+离子提升折射率，得到沟道型光 波导； 5)对沟道型光波导施以电场，将Ag+离子驱向玻璃基片深处，得到 掩埋型玻璃光波导。
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传播模和辐射模
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模式分类
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导波场分布
E1 y E1 cos(k x x − φ ) = k x (2a ) tan −1
α2
kx kx α α 1 1 φ tan −1 2 − tan −1 3 2 kx 2 kx 波节：k x x − φ = pπ 波腹：k x x − φ = pπ +
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二氧化硅波导工艺中的几个关键点： 1)材料生长和退火硬化工艺，要使每层材料的厚度和折射率均匀且准确， 以达到设计的波导结构参数，尽量减少材料内部的残留应力，以降低波导 的双折射效应； 2)RIE刻蚀工艺，要得到陡直且光滑的波导侧壁，以降低波导的散射损耗； 3)RIE刻蚀工艺总会存在Undercut，要控制Undercut量的稳定性，作为布版 设计时的补偿依据。
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衬底材料及波导结构
衬底材料：玻璃、电光晶体、半导体材料
常用的6种：铌酸锂（LiNbO3）、Ⅲ-Ⅴ族半导体化合物 、二氧化硅（SiO2）、SOI（Silicon-on-Insulator,绝缘体 上硅）、聚合物（Polymer）和玻璃
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分析方法
射线光学理论 & 波动光学理论。 射线光学理论： 优点：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：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。 波导光学理论： 能够全面、正确地分析各种结构的光波导的模式特性。 分析重点：平面光波导最重要的概念是模式，包括模式场 分布与相移常数（波动项）。 方法：利用分离变量法，求解模式场函数的本征值方程。
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麦克斯韦方程组化简
ψ ( x, y , z ) e 对于单色波，任一场分量 Φ ( x, y, z , t ) =
由麦克斯韦方程组可得： ∂D ∇×H = ∇ × H=jωε E ∂t ⇒ ∇ × E = − jωµ0 H ∇ × E = − ∂B ∂t ex ey ez 直角坐标系下： ∂ ∂ ∂ ∇× F = ∂x ∂y ∂z Fx Fy Fz 光波导技术
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jωt
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麦克斯韦方程组标量形式
在直角坐标系中研究，
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均匀平板波导中麦克斯韦方程组
由麦克斯韦方程组可知，Ez和Hz分别出现在两组方程中，互不关联， 故平板波导中不存在EH或HE模。
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3.1 阶跃型平板光波导
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三层均匀介质平板光波导
折射率：覆盖层、芯区、衬底分别为：
n0、n1、n2，且n1 > n0 ≥ n2
芯区和衬底折射率差一般在 10−3 ~ 10−1 对称波导: n2 = n0 非对称波导: n2 = n0