光波导理论---第一讲
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光波导原理
光波导理论
☆ ☆ ☆
光的折射 光的全反射 光波导
光波导理论
光波导 (optical wave guide)是使光传播在特 是 地制造的介质内的过程 也可以说给光导路过程。 的过程， 给光导路过程 地制造的介质内的过程，也可以说给光导路过程。
是按我们的指导下传 导波光 (guided wave) 是按我们的指导下传 的光。 播的光。
光的全反射
临界角
i=90◦ r=43◦ 如果 i=90◦ , n1=1.00 , n2=1.51 则 r=43◦ 没有折射光，全部反射。 如果 r> 43◦ ,则 没有折射光，全部反射。 43◦
i
r r r’
r’
光的全反射
利用这个原理， 利用这个原理，我们制造一个折射率比上下两 层高的薄膜，调整入射光角度入射到此薄膜（ 层高的薄膜，调整入射光角度入射到此薄膜（导 波层） 我们可以限制这束光在导波层内传播。 波层）内，我们可以限制这束光在导波层内传播。 因此，我们通过离子交换，在玻璃片上制备 因此，我们通过离子交换， 厚度为1~2µm的折射率略高于衬低（玻璃片 的折射率略高于衬低（ 厚度为 的折射率略高于衬低 ns=1.51）的导波层 f=1.52)。 ）的导波层(n 。
光的折射
光的折射现象
光的折射
空气 i n1 n2 r 玻璃 r r’ i’ i
光的折射
从折射率大的介质（玻利） 从折射率大的介质（玻利）到折射率小的介 空气）中时，折射角比入射角大。 质（空气）中时，折射角比入射角大。 如果入射角更大，则折射角可以达到90◦，也 如果入射角更大，则折射角可以达到 可能消失。这时只出现反射光，这种现象叫做光 可能消失。这时只出现反射光， 的全反射。 的全反射。
☆ ☆ ☆
光的折射 光的全反射 光波导
光波导理论
光波导 (optical wave guide)是使光传播在特 是 地制造的介质内的过程 也可以说给光导路过程。 的过程， 给光导路过程 地制造的介质内的过程，也可以说给光导路过程。
是按我们的指导下传 导波光 (guided wave) 是按我们的指导下传 的光。 播的光。
光的全反射
临界角
i=90◦ r=43◦ 如果 i=90◦ , n1=1.00 , n2=1.51 则 r=43◦ 没有折射光，全部反射。 如果 r> 43◦ ,则 没有折射光，全部反射。 43◦
i
r r r’
r’
光的全反射
利用这个原理， 利用这个原理，我们制造一个折射率比上下两 层高的薄膜，调整入射光角度入射到此薄膜（ 层高的薄膜，调整入射光角度入射到此薄膜（导 波层） 我们可以限制这束光在导波层内传播。 波层）内，我们可以限制这束光在导波层内传播。 因此，我们通过离子交换，在玻璃片上制备 因此，我们通过离子交换， 厚度为1~2µm的折射率略高于衬低（玻璃片 的折射率略高于衬低（ 厚度为 的折射率略高于衬低 ns=1.51）的导波层 f=1.52)。 ）的导波层(n 。
光的折射
光的折射现象
光的折射
空气 i n1 n2 r 玻璃 r r’ i’ i
光的折射
从折射率大的介质（玻利） 从折射率大的介质（玻利）到折射率小的介 空气）中时，折射角比入射角大。 质（空气）中时，折射角比入射角大。 如果入射角更大，则折射角可以达到90◦，也 如果入射角更大，则折射角可以达到 可能消失。这时只出现反射光，这种现象叫做光 可能消失。这时只出现反射光， 的全反射。 的全反射。
第一章光波导基本理论
思考：光在1、2和1、3表面全反射时分别产生了一 个附加相位，为什么？
tan
12
p
tan
13
q
思考：全反射时相位是否会发生改变？
入射角对反射系数相位的影响
光疏光密
光密光疏
思考：全反射时发生的 相位变化大小怎么求？
只要想到反射折射的大小变化，首先 想到菲涅尔公式
rTE(或 rs)=n n1 1c co oss1 1 n n2 2c co oss2 2 代 入 折 射 定 律 n 1 s in 1 n 2 s in 2
13
q
思考：该方程中各字母的物理意义
是相位 的单位
1、2界面 反射时产 生的相位
K为x方向的 波矢
2 h 2 m 2 1 2 2 1 3
1、3界面 反射时产 生的相位
从射线光学角度重新分析 TE偏振的本征方程
2 h 2 m 2 1 2 2 1 3 ,m 0 , 1 ,2 . . .
估 算 h的 值
h 1 .8 7 6 1 c o s
思考：波导芯层厚 度对解的数量有什 么影响？
思考：波导芯层折
射率n1对解的数量 有什么影响？
思考：解的数量还和什
hk0n1hcos 么因素有关？
还需满足解出的θ大于临界角
sin c
n2 n1
影响平板波导本征解数量的因素
对一个多模波导或光纤，你是否 能辨别出每个模式？
线性独立本征解的线性叠加
从量子力学的角度来看平板波导对光的束缚
Helmholtz equation:
[ 2 x k 0 2 n 22]U (x) 0
第1章 光波导原理与器件概述PPT课件
长春理工大学
第1章 光导波原理与器件概论
第三，空间上多道阵列、多频段以致三维立体的光 学存储及处理的特点，使光存储和处理的容量可达 到1018kbit的“海量信息”。如果用集成光路来实 现光信号的逻辑运算、传送和处理，则可制成体积 小、速度快、容量大的“全光计算机”。光子计算 机与电子计算机相比有着并行处理、信号互不干扰、 开关速度快、光速传递、宽带以及信息容量极大的 优点。
离散光学系统是将有一定几何尺寸的光学元器 件固定在大型的光学平台或光具座上所构成的光路 系统。系统的大小约是几平方米的数量级，光束的 粗细约为5-10mm的范围。光束一般通过空气在各 个光学元器件之间进行传输。由于受到介质对光的 吸收、色散和散射等因素的影响，系统光能损耗较 大，组装、调整也比较困难。
长春理工大学
第1章 光导波原理与器件概论
1.1 导波光学的发展概况
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
长春理工大学
第1章 光导波原理与器件概论
二十世纪六十年代激光的出现，使半导体 电子学、导波光学、非线性光学等一系列新学 科涌现出来。
二十世纪七十年，由于半导体激光器和光 导纤维技术的重大突破，使以光通信、光信息 处理、光纤传感、光信息存储与显示等为代表 的光信息科学与技术得到迅速发展，导波光学 已经成为光信息科学与技术的基础。
1、分支型开关阵列。在器件长度比较短、适合于 集成化的器件中大都采用LiNbO3分支开关。当波 导宽4μm时，电极长度为0.8mm，即使做成如图 1.3所示的1×4光学开关阵列，开关工作部分的长 度也仅仅只有3mm。
长春理工大学
第1章 光导波原理与器件概论
2、方向耦合器型开关阵列。 通常方向耦合器器件 长度约为5mm，即使不要求比较严格的制作精度， 也可以在比较低的电压下获得比较高的消光比，因 而首先用于制作集成化光学开关阵列。图1.4所示是 以Z切割LiNbO3为衬底，制作出的用于1.3μm波长 的4X4光学开关阵列。
第1章 光导波原理与器件概论
第三，空间上多道阵列、多频段以致三维立体的光 学存储及处理的特点，使光存储和处理的容量可达 到1018kbit的“海量信息”。如果用集成光路来实 现光信号的逻辑运算、传送和处理，则可制成体积 小、速度快、容量大的“全光计算机”。光子计算 机与电子计算机相比有着并行处理、信号互不干扰、 开关速度快、光速传递、宽带以及信息容量极大的 优点。
离散光学系统是将有一定几何尺寸的光学元器 件固定在大型的光学平台或光具座上所构成的光路 系统。系统的大小约是几平方米的数量级，光束的 粗细约为5-10mm的范围。光束一般通过空气在各 个光学元器件之间进行传输。由于受到介质对光的 吸收、色散和散射等因素的影响，系统光能损耗较 大，组装、调整也比较困难。
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第1章 光导波原理与器件概论
1.1 导波光学的发展概况
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
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第1章 光导波原理与器件概论
二十世纪六十年代激光的出现，使半导体 电子学、导波光学、非线性光学等一系列新学 科涌现出来。
二十世纪七十年，由于半导体激光器和光 导纤维技术的重大突破，使以光通信、光信息 处理、光纤传感、光信息存储与显示等为代表 的光信息科学与技术得到迅速发展，导波光学 已经成为光信息科学与技术的基础。
1、分支型开关阵列。在器件长度比较短、适合于 集成化的器件中大都采用LiNbO3分支开关。当波 导宽4μm时，电极长度为0.8mm，即使做成如图 1.3所示的1×4光学开关阵列，开关工作部分的长 度也仅仅只有3mm。
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第1章 光导波原理与器件概论
2、方向耦合器型开关阵列。 通常方向耦合器器件 长度约为5mm，即使不要求比较严格的制作精度， 也可以在比较低的电压下获得比较高的消光比，因 而首先用于制作集成化光学开关阵列。图1.4所示是 以Z切割LiNbO3为衬底，制作出的用于1.3μm波长 的4X4光学开关阵列。
第1章--波导的模式
第1章波导的模式
1.简述光波导模式理论在优化设计和分析模拟光波导器件方面的重要性。
光波导是许多光电子器件的基本结构，如滤波器、波分复用器、路由器、波长变换器、调制器、开关、放大器、激光器等等，这些光电子器件在光通信网络中具有十分广泛的应用。在优化设计和分析模拟这些光电子器件时都要涉及到有关光波导模式的基本理论，因此了解和掌握光波导模式理论就显得十分重要。
17.给出平板波导TM模的边界条件。
在波导介质层的分界面处，电场和磁场的切线分量都是连续的。y方向和z方向都是介质分界面的切线方向，因此Hy0(x)和Ez0(x)在介质分界面处都是连续的。由分量关系式 可知，Ez0(x)连续相当于 连续。令第i层介质与第j层介质在x=a处存在一个介质分界面，则TM模在x=a处的边界条件可写为
求出其TE导模电场 的场分布函数和特征方程。
(1)场分布函数
(2)特征方程
式中
21.令三层平板波导的相对介电常数分布为
式中b为波导层厚度， 。试由亥姆霍兹方程
求出其TM导模磁场 的场分布函数和特征方程。
(1)场分布函数
(2)特征方程为
式中
22.什么是三层平板波导导模的功率限制因子?
导模的功率限制因子定义为波导芯中的传输功率P1与波导中的传输总功率P之比。功率限制因子 是一个衡量波导对光场限制程度的参量，功率限制因子越大，进入包层中的倏逝场就越小，光场就越集中在波导芯中，芯中的传输功率就越大，因而波导对光场的限制就越好。
2.光波导是怎样的一种器件？
我们知道，光束在介质中传输时，由于介质的吸收和散射而引起损耗，由于衍射而引起发散，这些情况都会导致光束中心部分的强度随传输距离的增大不断地衰减。光波导是这样一种器件，它能使光束的能量在横的方向上受到限制，从而能够引导光束沿特定的方向传输，并使损耗和噪声降到最小。光波导简称波导。
1.简述光波导模式理论在优化设计和分析模拟光波导器件方面的重要性。
光波导是许多光电子器件的基本结构，如滤波器、波分复用器、路由器、波长变换器、调制器、开关、放大器、激光器等等，这些光电子器件在光通信网络中具有十分广泛的应用。在优化设计和分析模拟这些光电子器件时都要涉及到有关光波导模式的基本理论，因此了解和掌握光波导模式理论就显得十分重要。
17.给出平板波导TM模的边界条件。
在波导介质层的分界面处，电场和磁场的切线分量都是连续的。y方向和z方向都是介质分界面的切线方向，因此Hy0(x)和Ez0(x)在介质分界面处都是连续的。由分量关系式 可知，Ez0(x)连续相当于 连续。令第i层介质与第j层介质在x=a处存在一个介质分界面，则TM模在x=a处的边界条件可写为
求出其TE导模电场 的场分布函数和特征方程。
(1)场分布函数
(2)特征方程
式中
21.令三层平板波导的相对介电常数分布为
式中b为波导层厚度， 。试由亥姆霍兹方程
求出其TM导模磁场 的场分布函数和特征方程。
(1)场分布函数
(2)特征方程为
式中
22.什么是三层平板波导导模的功率限制因子?
导模的功率限制因子定义为波导芯中的传输功率P1与波导中的传输总功率P之比。功率限制因子 是一个衡量波导对光场限制程度的参量，功率限制因子越大，进入包层中的倏逝场就越小，光场就越集中在波导芯中，芯中的传输功率就越大，因而波导对光场的限制就越好。
2.光波导是怎样的一种器件？
我们知道，光束在介质中传输时，由于介质的吸收和散射而引起损耗，由于衍射而引起发散，这些情况都会导致光束中心部分的强度随传输距离的增大不断地衰减。光波导是这样一种器件，它能使光束的能量在横的方向上受到限制，从而能够引导光束沿特定的方向传输，并使损耗和噪声降到最小。光波导简称波导。
光波导原理
光波导理论
☆ ☆ ☆
光的折射 光的全反射 光波导
光波导理论
光波导 (optical wave guide)是使光传播在特 是 地制造的介质内的过程 也可以说给光导路过程。 的过程， 给光导路过程 地制造的介质内的过程，也可以说给光导路过程。
是按我们的指导下传 导波光 (guided wave) 是按我们的指导下传 的光。 播的光。
光波导
虚线和实线
光波导
折射率渐变性光波导 K+离子交换光波导中广的实际传播方式 :
1.51 0 折射率 1 1.52
厚度(µm)
谢谢大家！ 谢谢大家！
光的折射
光的折射现象
光的折射
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
空气 i n1 n2 r 玻璃 r r’ i’ i
光的折射
从折射率大的介质（玻利） 从折射率大的介质（玻利）到折射率小的介 空气）中时，折射角比入射角大。 质（空气）中时，折射角比入射角大。 如果入射角更大，则折射角可以达到90◦，也 如果入射角更大，则折射角可以达到 可能消失。这时只出现反射光，这种现象叫做光 可能消失。这时只出现反射光， 的全反射。 的全反射。
光波导 nc=1.00 nf>nc nf>ns
nc nf
d=1~2µm
包层 导波层
ns
衬底
光波导
在导波层和包层界面上， 在导波层和包层界面上，因为折射率比例 大可容易达到全反射目的。 大可容易达到全反射目的。但是导波层和衬底 的折射率比例小，衬底内出现折射光。 的折射率比例小，衬底内出现折射光。如果入 射角角度小，光在整个玻璃片内传播， 射角角度小，光在整个玻璃片内传播，入射角 达到一定角度时光在导波层内传播。 达到一定角度时光在导波层内传播。
☆ ☆ ☆
光的折射 光的全反射 光波导
光波导理论
光波导 (optical wave guide)是使光传播在特 是 地制造的介质内的过程 也可以说给光导路过程。 的过程， 给光导路过程 地制造的介质内的过程，也可以说给光导路过程。
是按我们的指导下传 导波光 (guided wave) 是按我们的指导下传 的光。 播的光。
光波导
虚线和实线
光波导
折射率渐变性光波导 K+离子交换光波导中广的实际传播方式 :
1.51 0 折射率 1 1.52
厚度(µm)
谢谢大家！ 谢谢大家！
光的折射
光的折射现象
光的折射
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
空气 i n1 n2 r 玻璃 r r’ i’ i
光的折射
从折射率大的介质（玻利） 从折射率大的介质（玻利）到折射率小的介 空气）中时，折射角比入射角大。 质（空气）中时，折射角比入射角大。 如果入射角更大，则折射角可以达到90◦，也 如果入射角更大，则折射角可以达到 可能消失。这时只出现反射光，这种现象叫做光 可能消失。这时只出现反射光， 的全反射。 的全反射。
光波导 nc=1.00 nf>nc nf>ns
nc nf
d=1~2µm
包层 导波层
ns
衬底
光波导
在导波层和包层界面上， 在导波层和包层界面上，因为折射率比例 大可容易达到全反射目的。 大可容易达到全反射目的。但是导波层和衬底 的折射率比例小，衬底内出现折射光。 的折射率比例小，衬底内出现折射光。如果入 射角角度小，光在整个玻璃片内传播， 射角角度小，光在整个玻璃片内传播，入射角 达到一定角度时光在导波层内传播。 达到一定角度时光在导波层内传播。
导波光学 第1讲
导波光学 Optics of Waveguides
■ 课程的性质
光通讯是20世纪70年代以后发展起来的新的通 信技术，光通信被认为是通信发展史上的一次 革命性的进步，它对人类由工业化社会向信息 化社会进步有着不可估量的推动作用，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。
E(x, y, z) E(x, y)ei z H (x, y, z) H (x, y)ei z
模式场 传播常数
● 传播常数是波导中电磁波波矢z分量的大小，它决 定了波的相速度。
把上面的式子代入亥姆霍兹方程
2E k 2E (E ) 0
2H k 2H ( H ) 0
y)
t
]zˆ
0
● 由偏微分方程的理论，模式场的亥姆霍兹方程在给 定边界条件下是一个个离散的特征解。每一个特征解 与一个特征值相对应，通解是这些特征解的线性叠加， 当给定初始条件时，就可以确定特征解前面的系数。 在光波导中，我们把一个特征解就叫这个光波导的一 个模式。所以从数学上讲模式是满足模式场的亥姆霍 兹方程及边界条件的一个特解；从物理上讲，模式是 正规光波导中的光波一种可能的存在形式，模式场是 正规光波导的光场在横截面上的一种可能的场分布。
＝0，J=0且 =0，这时麦克斯韦方程组为
E i0 H E E
H i E
H 0
2E k 2E (E ) 0
2H k 2H ( H ) 0
电磁场E，H随空间位置变化关系的方程 ——亥姆霍兹方程
■ 电磁场和模式场的横向分量与纵向分量的关系
若把电磁场分解为横向分量与纵向分量，即
■ 课程的性质
光通讯是20世纪70年代以后发展起来的新的通 信技术，光通信被认为是通信发展史上的一次 革命性的进步，它对人类由工业化社会向信息 化社会进步有着不可估量的推动作用，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。
E(x, y, z) E(x, y)ei z H (x, y, z) H (x, y)ei z
模式场 传播常数
● 传播常数是波导中电磁波波矢z分量的大小，它决 定了波的相速度。
把上面的式子代入亥姆霍兹方程
2E k 2E (E ) 0
2H k 2H ( H ) 0
y)
t
]zˆ
0
● 由偏微分方程的理论，模式场的亥姆霍兹方程在给 定边界条件下是一个个离散的特征解。每一个特征解 与一个特征值相对应，通解是这些特征解的线性叠加， 当给定初始条件时，就可以确定特征解前面的系数。 在光波导中，我们把一个特征解就叫这个光波导的一 个模式。所以从数学上讲模式是满足模式场的亥姆霍 兹方程及边界条件的一个特解；从物理上讲，模式是 正规光波导中的光波一种可能的存在形式，模式场是 正规光波导的光场在横截面上的一种可能的场分布。
＝0，J=0且 =0，这时麦克斯韦方程组为
E i0 H E E
H i E
H 0
2E k 2E (E ) 0
2H k 2H ( H ) 0
电磁场E，H随空间位置变化关系的方程 ——亥姆霍兹方程
■ 电磁场和模式场的横向分量与纵向分量的关系
若把电磁场分解为横向分量与纵向分量，即
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
光波导
传输特性
光纤的传输衰减很小，频带很宽。例如，在1.5微米波段衰减可小到0.2分贝/公里，频带宽达108/公里数量 级（多模光纤）或109赫/公里数量级（单模光纤），如此优良的性能是其他传输线难以达到的，因而光纤可用于 大容量信号的远距离传输。薄膜波导和带状波导传输特性及其分析与光纤类似。由于它们主要用来构成元件，对 传输衰减与频带要求并不严格。严格求解光波导中的电磁场的矢量解较为困难，故通常用标量近似法、射线法等 近似解法分析其传输特性，包括各个模式的场分布、色散以及模式之间的耦合等。
光波导的横向尺寸比光的波长大很多时，光的波动性所产生的衍射现象一般可略去不计，可用几何光学定律 来处理光在其中的传播问题。如集成光波导和阶跃折射率光纤中，都是利用入射角大于临界角使光在边界上发生 全反射，结果光便沿折线路径在其中传播。梯度折射率光纤中，则利用光逐渐往折射率大的方向弯曲的规律，使 光线沿曲线路径在其中传播。
平面材料
PLC光器件一般在六种材料上制作，它们是：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。
铌酸锂波导是通过在铌酸锂晶体上扩散Ti离子形成波导，波导结构为扩散型。InP波导以InP为称底和下包层， 以InGaAsP为芯层，以InP或者InP/空气为上包层，波导结构为掩埋脊形或者脊形。二氧化硅波导以硅片为衬底， 以不同掺杂的SiO2材料为芯层和包层，波导结构为掩埋矩形。SOI波导是在SOI基片上制作，称底、下包层、芯层 和上包层材料分别为Si、SiO2、Si和空气，波导结构为脊形。聚合物波导以硅片为称底，以不同掺杂浓度的 Polymer材料为芯层，波导结构为掩埋矩形。玻璃波导是通过在玻璃材料上扩散Ag离子形成波导，波导结构为扩 散型。
光波导技术 第一章
qi> qc
TIR
qi qc
R<1
28
qi qc
|R|=1
全反射的相移
rTE
2 2 [n1 cos q i ( n2 n1 sin 2 q i )1 / 2 ] 2 2 [n1 cos q i ( n2 n1 sin 2 q i )1 / 2 ]
1、当θ i＜ qc时，这时r<1为实数，只有部分反射 sinqi< sin qc = n2/n1, n1sinqi< n2 , r为实数, 且 r<1, 只有部分反射 2、当θ i > qc时，会产生全反射现象。 sinqi>sinqc = n2/n1, n1sinqi>n2 ，r为复数。
Hr
z
qt
Ht
•
Et
z
n2
qt Ht
• Et
TM波
折射光
TE波
折射光
25
菲涅耳(Fresnel)公式
由边界条件知，在界面无电流时电场E和磁场H的切向分量连续。
Hi cosqi Hr cosqi Ht cosqt
入射光
Hi
n1 n2 • x
Ei Er Et
(1)Biblioteka (2)Eiqi qr
Er
26
菲涅耳(Fresnel)公式
得到TE波的反射系数
n1 cos qi n2 cos qt RTE Er / Ei n1 cos qi n2 cos qt
Snell定律n1sinq1=n2sinq2，得
2 [n1 cos qi (n2 n12 sin 2 qi )1/ 2 ] RTE 2 [n1 cos qi (n2 n12 sin 2 qi )1/ 2 ]
《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
。
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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
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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。
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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。
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模式理论新应用 @2007OE
@2009 OSA A
芯的排列/数量组合
Tomáš Čižmár and Kishan Dholakia Optics Express, Vol. 19, Issue 20, p p. 18871-18884 (2011)
“光纤之父”----高锟博士 2009 诺贝尔 奖获得者
∗ 园截面介质光波导中场分布模式的 理论和实验研究也由E.Snitzer等在 1961年发表. ∗ 直到60年代中期，最好的光学玻璃 的传输损耗仍高达1000dB/km
意味着如果要在一公里长的光纤末端检测到一个波长为 1µm的光子(其能量为hv=6.625×10-34×3×1014~2×10-19J), 在其始端应输入的能量为2×1081J,这将远远超过太阳系形 成以来其全部辐射能量的总和 全部辐射能量的总和
导波光学是研究波长范围大体为0.1～10µm的电 磁波在各种波导结构中传播特性的科学
光纤是信息时代的基础
∗ 美研制出硒化锌光纤 可使军用激光雷 达效率更高。 ∗ 硒化锌光纤却可以传送波长为15微米的 光 ∗ /2011/0301 /14847.html
光纤激光器
激光攻击导弹
天文观测 基准星
微纳光纤
∗ 寂寞了二十多年的“集成光学 集成光学”的概念重又受到人 集成光学 们的关注，并发展成为“集成光子学”和“集成光 电子学”：在很小的空间范围内，将具有多种功能 的导波光学器件、光电子器件和电子电路集成在一 起，以提高性能、降低成本。值得注意的是，这里 的“集成”主要是指各种功能的集成，而不是像集 成电路那样强调单位面积内的元件数。 ∗ Kaminow I. P. Optical Integrated Circuits: A Personal Perspective.[J]. Lightwave Technology, Journal of, 2008, 26(9): 994-1004.
1962 半导体激光器诞生(GaAs 870nm) 半导体激光器诞生(GaAs 70 年代室温工作LD 年代室温工作LD (GaAsAI 850nm) 1300、 1300、1550nm 多模LD 多模LD 单模LD 单模LD
1970 康宁制出低损耗光纤 (20dB/km) 1300(0.5dB/km),1550nm(0.2dB/km) 低损耗窗口光纤开发 单模光纤
125µm 125µ 245~250µm
外护层
À强 度 元 件
内护层 光纤 À缆 芯
光纤波导的进一步分类
按折射率分布：
均匀折射率分布光波导；渐变折射率分布光波导
按传播模式：
单模光波导SMF；多模光波导MMF
按材料：
石英、塑料与红外光波导、III-V族材料光波导
特种光波导（光纤）：
保偏(单偏振)光纤PMF；有源光纤；晶体光纤PCF 零/非零色散位移光纤DSF；负色散光纤DCF； 特殊涂层光纤；耐辐射光纤；发光光纤
光波导技术的迅猛发展4
∗ 在光通信中，随着点到点传输中通信容量和传输距离 的不断升级以及光纤网络的发展，对光信号的各种处 理（开关、调制、合波、分波、滤波、整形、交换等 等）日益重要。各种应用对于器件灵活性、功能性、 集成性和成本等方面的要求越来越苛刻，促进了器件 工作原理和技术指标的多样化，是近年来有关领域研 发工作的特点。
光波导理论
任课教师：宁提纲 光波技术研究所 全光网络与现代通信教育部重点实验 室 TEL：84020 /84013 手机1368 155 7378 E-mail: tgning@
参考书目
光波导理论，吴重庆，清华大学出版社， 光波导理论，吴重庆，清华大学出版社，2000； ；
《导波光学》范崇澄、彭吉虎； 《介质光波导理论》D. Marcuse, 刘弘度译 “Optical Waveguide Theory” Snyder A W ，Love J. Understanding Optical Communications Harry J. R. Dutton 1998 【有电子版】 FiberFiber-Optic Communication Systems Third Edition. G. P. Agrawal 2002 【有电子版】 非线性光纤光学原理及其应用 电子工业出版社 2010 路玉春 博士学位论文
∗ “芯 / 包”结构 ∗ 凸形折射率分布，n1>n2 ∗ 低传输损耗
光波导的分类
薄膜波导（平板波导） 矩形波导（条形波导）
∗园柱波导（光纤）
∗ 对称与非对称波导
平板波导
n3 n1 n2
矩形波导
脊型波导
沟道波导
平面掩埋沟道波导
园柱波导: 园柱波导:光导纤维
纤芯 包层 涂覆层 护套层
单模：8 ~10µm 多模：50µ 多模：50µm 62.5μ 62.5μm
主要学术期刊
∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ 1. Journal of Lightwave Technology 2. Journal of Optical Society of America 3. IEEE Photonics Technology Letters 4. IEEE Journal of Quantum Electronics 5. Optics Letters (*) 6. Optics Communications 7. Electrons Letters 8. 光学学报 9.中国激光 10.电子学报 11、Optics Express (*)
主要网站
∗ OETECH版 ∗/ 光纤在 线 ∗/optoc hina/
考试方式
∗闭卷，平时+考试 ∗考试题型：填空+问答+计算
绪论
“导光”的古老历史
中国古代烽火台 1854年：英国的廷达尔(Tyndall)就观察到光 在水与空气分界面上作全反射以致光随水流 而弯曲的现象； 1929-1930年：美国的哈纳尔(Hanael)和德国 的拉姆(Lamm)先后拉制出石英光纤并用于光 线和图象的短距离传输；
波导技术的迅猛发展5-RoF
∗ ROF (Radio over Fiber)为4G通信、最后1 km出力 ∗ GPRS、GPS 满足real-time、seamless和continous 通信，而电二次差拍技术的毫米波 光子发生器及下行光载无线系统
Li Jing, Ning Tigang, Pei Li, Qi Chunhui.
对称/ 对称/非对称波导
☺对称波导：
☺ 芯区周围的介质折射率相同
☺非对称波导：
☺ 芯区周围的介质折射率不同
导波模&辐射模
∗ 在与该截面垂直的纵向上，波导无限延伸；折 射率分布只是横向坐标的函数，且除考虑光波 导的激励问题外，一般可以忽略“源”的影响。 ∗ 在这些光波导中，如果光在横向受到充分的约 束而没有辐射或泄漏，就可能沿实现远距离传 输。这种情况称为导波模； ∗ 反之，光在横向上如果有辐射，则称为辐射模
德国科学家让一根光纤的数 据传输速度达到每秒26T， 相当于700张DVD
∗ /2011/0524/16896.html
光波导技术的迅猛发展3
∗ 调制速率还远未用到光纤的低损耗带宽（1.3~1.7μm, 或 5X1013Hz）。80年代中期EDFA和以此为基础的密集波分复用 技术的出现以及光纤本身和相关器件与技术的改善，商用系 统中已能通过一根光纤中的多个波长传输高达40Tb/s以上的 数据率，实验室报道更是其十倍以上，对信息社会的基础设 施建设发挥着极为重要的作用。 ∗ 随着信号功率和数据率的增加，光波导（主要是光纤）中的 色散和非线性效应变得十分严重，通过新型光纤（包括消除 光纤和色散补偿光纤）的研制和系统中各类光纤的安排（色 散补偿色散和管理），对其限制和利用成为近十年来重要的 研究和应用课题。在新型光纤方面，新近出现的光子晶体光 纤虽然目前尚处于基本研究阶段，但却引起了广泛的注意和 兴趣：其色散和非线性系数近于零，其折射率可以小于空气 甚至是负值。显然，它能带来的潜在好处是十分巨大的。
Intel研究人员日前研制出世界上最快的硅基光学调制器
—
多核光互连
Intel 50Gbps）的速度移动数据
硅光子学的通信领域应用取得里 程碑式进展， 程碑式进展，证实未来电脑可用 光束代替电子信号传输数据。英 光束代替电子信号传输数据。 特尔实现了世界上首个端至端硅 光子连接， 光子连接，这将对电脑设计产生 革命性影响， 革命性影响，极大地提高电脑性 能和节约能源
光波导技术的迅猛发展2
∗ 石英基光纤的频带宽、色散低、抗拉强度高、抗 干扰性强、资源丰富等一系列特点使之成为理想 的新一代传输媒质。70年代初的另一重要事件， 是实现了半导体激光器的室温连续运转。随着光 源、调制、接收、中继、耦合、光纤的熔接与活 动连接等单元技术的发展，使光纤通信受到了空 前的重视，单信道的调制速率由100Mb/s 提升至 10Gb/s->40Gb/s （ 趋 向 于 电 路 速 度 的 瓶 颈 ） >400Gb/s，并从实验室研究迅速变为具有巨大社 会经济效益的产业
1966年：高锟博士发表他的著名论文“光 频介质纤维表面波导”首次明确提出, ∗带有包层的石英光学纤维 ∗通过改进制备工艺,减少原材料杂质 可使石英光纤的损耗大大下降 , 并有可能 拉制出损耗低于20dB/km的光纤,从而使光 纤可用于通信
光源：太阳光 介质:空气 信号：语音
光纤通信器件的发展过程
光波导技术的迅猛发展
1970年,康宁玻璃公司(Corning Glass Co）率先研 制成功损耗为20dB/km 的石英光纤,取得了重要的技 术突破；【改进的化学气象沉积法MCVD、外气相沉积法OVD、轴向气 相沉积法VAD、等离子体化学气象沉积法PCVD】 经过近30年的发展，光纤的损耗已经降至 0.17dB/km (单模光纤）； 各种光波导器件在光纤系统中获得广泛应用，构筑 所谓的“信息高速公路” ，相关的应用产业日新月 异地蓬勃发展，涉及的部门包括邮电、电子、电力、 化工以及机械等行业，形成一个年产值几千亿美元 的巨大市场。