光波导理论及技术
光波导工作原理研究
光波导工作原理研究光波导是一种利用光的波导结构，将光信号在其中传输的器件。
它在光通信、光传感等领域中起着重要的作用。
本文将深入研究光波导的工作原理以及相关的应用。
一、光波导的基本原理光波导是一种采用全反射原理实现光信号传输的器件。
它由两个折射率不同的介质组成，常见的结构有直接折射波导和反射式折射波导。
当光线从高折射率介质传入低折射率介质时，在界面上会出现全反射现象，从而将光线限制在光波导中传输。
光波导通常采用的材料有硅、玻璃等。
二、光波导的工作原理光波导的工作原理主要是通过控制波导结构和控制光源来实现的。
在光波导中，光信号在光源的作用下，由输入端产生，并在波导中进行传输。
光波导的结构设计和尺寸参数决定了光信号的传输性能，如传输损耗、模式的分离和耦合等。
在光波导的过程中，最常见的传输现象是模式的分离。
模式是指光信号在波导中的空间分布特性，包括基础模式和高阶模式。
为了实现光信号的可靠传输，通常需要采用合适的波导结构和尺寸参数，使得光信号能够尽可能保持在基础模式下进行传输，减少能量的损耗。
另外，光波导的耦合技术也是实现有效传输的重要环节。
耦合是指将光信号从一个波导传输到另一个波导的过程。
常见的耦合方式有直接耦合、间接耦合和透镜耦合等。
通过合理选择合适的耦合方式，可以实现光信号的有效传输和耦合控制。
三、光波导的应用领域光波导在光通信、光传感等领域中有广泛的应用。
在光通信中，光波导被用于光纤通信和光集成电路中，实现光信号的快速传输和集成。
光波导具有低传输损耗、高速传输和抗干扰能力强等优点，使得光波导成为光通信领域的重要技术。
除此之外，光波导还被应用于光传感领域。
光波导结构的特殊设计能够实现对光的共振和散射，从而实现对环境参数的测量。
光波导传感器具有高灵敏度、快速响应和小型化等特点，广泛应用于环境监测、医学诊断等领域。
总结：光波导是一种利用全反射原理实现光信号传输的器件。
它的工作原理是通过控制波导结构和光源来实现的，其中包括模式的分离和耦合技术等。
《光波导理论与技术》课件
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。
光波导理论与技术
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
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。
光波导理论与技术讲义2
1.2.1 光线的传输路径及光线分类 光线在芯层中直线传 播，在芯层和衬底， 芯层和敷层的界面上 发生反射和折射
波导内的光线分为两类，即束缚光线和折射光线。
全反射临界角 c12
n2 sin n1
1
n3 c13 sin n1
1
衬底折射率n2大于敷层折射率n3，则必有 c12 > 在芯层中光线成为束缚光线的必要条件
式1.1 7
故对 S 求导式为：
切线方向上的单位 光程沿路径变化率
d ds
dr n(r) ds n(r)
光线方程
（1.1-8)
折射率梯度
光线方程是矢量方程，表示光线向折射率大的方向弯曲。
例1：光线在均匀媒质中的传播 dr 光线方程： d n(r) n(r) ds ds 因 n = 常数 d 2r n 0 改写成： 2
max n1 / c
可以估算不同路经传输导致的光脉冲展宽
式（1.1-6）称为程函方程； 相位梯度 r 方向与光波传播方向一致，其模等于 介质折射率； 程函方程给出波面变化规律： 在均匀介质中，光波传输方向不变； 在非均匀介质中，光波传输方向随折射率变。
1.1.2 光线传播路径方程
r ：光线传播路径S上某点的矢径 dr/ds:传播路径切线方向上单位矢量, 根据相位梯度的定义，矢量dr/ds方向 与相位梯度方向一致，大小等于：
r0
（ 3.6 ） 只要光纤折射率分布和入射点确定，就可计算光线轨迹。
x z
y
小结
程函方程：表示光波相位变化与介质折射率分布的关系
( r )2 n2 r
光线在均匀介质传播路径上无方向变化；在非均匀介质传 播路径上有方向变化。 光线方程： d ds
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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—Acquisition, Tracking, Pointing ），跟踪精度小 于2微弧度，瞄准精度小于1微弧度。ห้องสมุดไป่ตู้
自由空间激光通信
相控阵激光雷达
• 激光跟踪测距雷达、激光成 像雷达、激光合成孔径雷达-----
• 相控阵激光雷达通过对激光 束的相位控制和波束合成技 术，实现波束功率增强和电 扫描；
光是电磁波
• 电磁波的范围：1026Hz------10Hz • 可见光波长：400nm~700nm • 无线电波长：10-4 m~106m
光的传播
自由空间光（free space wave）：在均匀介质中传播的光 。 如由透镜、棱镜等各种光学元件组成的常见的光学仪器设备， 自由空间激光通信，激光雷达，光束变换， ……
单模光纤结构捕陷（ n1=1.4544, n2=1.45, 2a=8m, and 2b=125m. ）光源为He-Ne 激光（ =632.8nm ）。当粒子 接近光纤顶端时，它将被光纤顶端的近场成梯度变化的力 捕获。
• SNOM聚苯乙烯胶体微粒( 约2μm)排成“光”字形图案 • STM 单原子操纵将36 个钴原子排成了椭圆形的量子围栏
光波导理论与技术
自动化测试与控制系
2006年春
参考教材
1. 微波与光电子学中的电磁理论（第二版），张克潜、 李德杰 著，2001年5月，电子工业出版社，研究生教 学用书，教育部研究生工作办公室推荐
2. 光波导理论与技术， 李玉权 崔敏 编著， 人民邮电 出版社，2002年12月第一版
3. 光波工程，[日本]国分泰雄 著，（先进光电子技术 丛书），科学出版社，2002年
导波光（guided wave） ：光被局限于特定的区域内传播， 通常被限定在与传播方向垂直的限定截面内。约束导波光的 介质称之为光波导（optical waveguid）。如光纤，光纤传 感器，光纤器件（光纤光栅、光纤放大器，光互联），……
麦克斯韦方程的贡献： –存在电磁波，
–预言了光就是电磁波，
• 共轭光：与某光波的波面形状相同，但反向传播的光波。
• 光折变晶体：晶体（如铌酸锂LiNbO3）在聚焦的强激光 照射下折射率发生变化。用于全息成像时，全息干涉条 纹使晶体中相应的折射率变化形成全息图（代替全息感 光干板）。该全息图可以擦除重写，因此是实时全息图。
全息光存储
• 存贮介质：光折变晶体；
• 美国在70年代初开始光学相 控阵研究，早期用钽酸锂晶 体制成一维光学移相阵列， 而后用液晶制成二维光学相 控阵样机，在4 4面积上有 1536 个移相单元。
光束敏捷控制
液晶偏转光束原理
• 光束通过一定厚度的液晶层，层内折射率的差异产 生光程差，由此改变波前相位。
• 利用液晶折射率可控的特性控制波前相位。
• 数据读出：读出激光束也经LCSLM进入光折变晶体，由于相 位共轭，读出光束精确复现写入的干涉信息，并被阵列光电 检测器接收。
全息光存储优点
• 体积小； • 存贮量大； • 信息失真小； • 速度高。
全息光存储的应用
• 光学相关运算器， 用于目标跟踪图像 处理的。
近场光学显微镜
• 瑞利判据 ：传统光学显微镜能够探测到的物体最小细节总是大于 波长的一半。
x 10-6 二维指向矢分布
5
非均匀区域 1
4
电极
z轴坐标: m
3
2
1
0
0.8
1
1.2
x轴坐标: m x 10-5
光束敏捷控制应用
自适应光学——波前校正
• 波前误差测量，波前重构，
空间光调制器
• 改变光波波前的振幅、相位。 • 种类：声光调制器，变形镜，微镜阵列，液晶，光折变
晶体------
液晶空间光调制器
光存储
光信息拾取
液晶透镜： CLC—Convex Liquid Crystal ADLC—Adaptive Liquid Crystal
全息光存储
• 全息成像：先使照射物体的物光和参考光干涉产生条纹， 记录该干涉条纹的称之为全息图，再用原来的参考光， 或与参考光的共轭光照射全息图，可再现原来的物体。
频分复用，波分复用；光孤子高速长距离 1995年法国，20Gb/s传输106 Km
What’s next?
全光网：光子开关，光互连，光放大，光变频，----------
光互联
激光通信优点
• 激光通信发散角约10微弧度，比RF和微波通 信小3~4数量级，光束捕捉困难，保密性好；
• 天线体积小，重量轻，适用于卫星、航天器； • 数据传输速率高、与RF、微波频带不同； • 大气层内的通信距离为几十~几百公里，大气
4. 导波光学物理基础，佘守宪编著，北方交通大学出 版社，2002年8月第一版
序言
• 光电子技术的应用：光通信、光信息处 理、光存储、光计算、光传感、激光加 工------
• 新的光学分支：光纤光学，集成光学， 薄膜光学，二元光学，微光学,非线性光 学，变折射率光学、自适应光学------
• 本课程将光作为电磁波，研究光的传播 规律。
• 亚波长尺寸的探针在被照明的样品表面逐点扫描以获得不同局域点 的信息，并保持探针–样品之间数十纳米的间距，表面的近场光被 接收后即可获得反映样品表面微小结构的光学图像。
• 亚波长结构的信息隐藏在非辐射场（倏逝波场）中，远场只有传播 波，不包含样品的亚波长结构信息。
近场光学捕陷(optical traps)
• 利用相位共轭简化光路；
• 液晶空间光调制器（LCSLM ）精确控制三维信息存贮位 置。
• 数据写入：写入激光束的水 平分量（物光）从数据SLM 获取信息进入光折变晶体， 垂直分量（参考光）被 LCSLM 作 二 维 偏 转 ， 在 光 折 变晶体中与水平分量相遇产 生干涉，写入信息被存储在 光折变晶体的确定位置。
–电磁场具有能量和动量，从而揭示了电磁场的物质性。
如何控制光的传播？
透镜的波面变换作用
• 折射、衍射规律； • 光波传播过程中，波面的振幅、相位发生变化。
光纤通信发展历史
比特率20-100Mb/s，最大中继间距10Km
比特率4Gb/s，最大中继间距100Km
波长：850nm —— 1310nm —— 1550nm