光波导技术基础解读
《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(总结)(课堂PPT)
偏振模色散
1
2
束缚光线：0
z
cos1
n2 n1
; n2
n1
传播路径及分类 均匀介质薄膜波导
折射光线ccooss11
n2 n1 n3 n1
z z
cos1
n3 n1
; n3
2
;0
n3
n2
传播时延及时延差
=t/z=
max
n1
c cosz
n1 c
3
4
5
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
束 缚 光 线 ： 0
n
2 2
2 3
2
k
2 0
n
2 3
k xd
tan 1 2 kx
tan 1 3 kx
m
1 tan 1 2 1 tan 1 3 n
TM模的特征方程
2
kx 2
kx 2
kxd
tan1 2n12
kxn22
tan1
3n12
kxn32
m
1 tan1 2
2n12
kxn22
1 tan1 2
3n12
dr
；与z、都有关
ric [g(r)]1/2
11
自聚焦光纤
12
两种理论：几何光学理论 模式理论
四种介质：均匀平板波导 渐变平板波导 阶跃光纤 梯度光纤
影响光信号传输的三大因素：损耗 色散 非线性
两类器件：光无源器件 光有源器件
偏振模色散
13
TE模的特征方程
k
2 x
2
k
2 0
n
2 1
2 2
2
k
2 0
对HE11模 是主模式
光波导原理
光波导原理光波导原理是一种利用光的传输特性来实现信息传输的技术。
它是一种基于光学原理的传输方式，可以将光信号传输到远距离的地方，同时保持信号的高速和高质量。
在现代通信领域中，光波导技术已经成为了一种非常重要的技术，被广泛应用于光通信、光传感、光计算等领域。
光波导原理的基本概念是光的全反射。
当光线从一种介质进入另一种介质时，如果两种介质的折射率不同，光线就会发生折射。
但是，当光线从高折射率的介质进入低折射率的介质时，如果入射角度大于一定的临界角度，光线就会被完全反射回高折射率的介质中。
这种现象被称为全反射。
利用全反射的原理，可以制造出一种光波导器件。
光波导器件是一种可以将光信号传输到远距离的器件，它由一条光波导管和一些光源、光探测器等组成。
光波导管是一种由高折射率材料制成的管状结构，它可以将光信号沿着管道传输。
光源和光探测器则用于产生和接收光信号。
光波导器件的工作原理是利用全反射的原理将光信号沿着光波导管传输。
当光信号从光源发出时，它会被引导到光波导管中。
由于光波导管的折射率比周围的介质高，光信号会被完全反射回光波导管中，从而沿着管道传输。
当光信号到达光探测器时，它会被探测器接收并转换成电信号。
光波导器件的优点是具有高速、高带宽、低损耗等特点。
由于光波导管的折射率比周围的介质高，光信号可以在管道中传输很长的距离而不会发生衰减。
同时，光波导器件的传输速度非常快，可以达到几十兆比特每秒甚至更高的速度。
这使得光波导器件在高速数据传输、光通信等领域中得到了广泛的应用。
除了光波导器件外，光波导原理还可以应用于其他领域。
例如，在光传感领域中，可以利用光波导原理制造出一种光纤传感器。
光纤传感器是一种可以利用光的传输特性来实现物理量测量的传感器。
它由一条光纤和一些光源、光探测器等组成。
当物理量发生变化时，光纤中的光信号会发生变化，从而可以测量出物理量的变化。
光波导原理是一种非常重要的技术，它可以利用光的传输特性来实现信息传输、物理量测量等功能。
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
光波导技术基础
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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Ⅳ族C、Si、Sn原子在锗中处在替代位置，既不起施 主又不起受主作用，称电中性杂质。 锂在锗中占间隙位置，可给出一个电子而呈现施主性 质。氢在锗中也占间隙位置，氧也有一部分是间隙的， 但一般不电离不影响材料的电性质。 Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ族杂质原子在硅中的作用与在锗中相似， 但某些杂质的性质则与在锗中不同。 例如，铜和金显示出一个受主能级和一个施主能级。 锰和铁是施主而不像在锗中那样是一个受主，并且扩 散系数大。 氧在硅中浓度可达很高，室温下呈电中性；加热时与 硅形成一系列络合物，放出电子起施主作用。
11
有杂质补偿的情况下，电阻率由有效杂质浓度（NAND）或（ND-NA）决定; 总的杂质浓度NI=NA+ND对材料的电阻率产生影响; 杂质浓度很大时，杂质对载流子的散射作用会大大降低 其迁移率。 例如，硅中Ⅲ、Ⅴ族杂质，当N＞1016cm-3时，对室温 迁移率就有显著的影响。
12
13
3.杂质对非平衡载流子寿命的影响 半导体材料中的杂质和缺陷，对非平衡载流子寿命有 重要影响。 例如，硅中的金，有Ec-0.54eV（受主）和Ev+0.35eV （施主）两个能级。 Ec
⑷NAs＞3NAu，所有金的三个受主能级都填充了电 子，剩余的砷浅施主能级上的电子被激发到导带中 去，材料亦杂质（如镓）时，金的施主能级 起补偿作用，有两种情况： ⑴ 0＜NGa＜NAu，金的施主能级给出电子填充镓的受 主能级，全部填满后还有一部分电子在金的施主能级 上。 低温时，价带中一部分电子激发填充到金因补偿而 空出的能级中，使材料呈P型。 高温时价带中激发的电子除了填充金的施主能级外， 还填充金的第一受主能级，材料仍然为P型。
4
Ec-0.04eV Ec-0.20eV
EC
Au
3
Au
2
Ev+0.15eV Ev+0.05eV Ge中的Au杂质能级
Au
EV
Au
5
⑵NAu＜NAs＜2NAu，砷能级上的电子填满金的第一 受主能级后并开始部分填充金的第二受主能级。
升温时，第二受主能级上的电子激发到导带的能 量比价带电子激发到第二受主能级的能量小。 热激发会使第二受主能级中部分填充的电子激发 到导带中去，材料呈现N型。
9
§4-1-2 杂质对材料性能的影响 1.杂质对材料导电类型的影响 材料中共存施主和受主杂质时，它们将相互补偿，材料 的导电类型取决于占优势的杂质。 例如，锗、硅材料中， Ⅲ族杂质元素在数量上占优势时，材料呈现P型； Ⅴ族元素占优势时呈现N型； 材料中N型杂质和P型杂质的数量接近，材料呈现弱N 型或弱P型。 一些离子半导体材料，如大多数Ⅱ-Ⅵ族化合物，晶体 中的缺陷能级对半导体的导电类型起支配作用。
2
Ⅰ副族元素金有三个受主能级和一个施主能级。 多重能级的作用与温度及材料中存在的其它杂质的类型 和浓度等有关系。 金在锗中的行为为例说明多重能级特性： 金是周期表中ⅠB族的元素； 掺入锗中处于替代锗原子的位置； 接受第一、二、三个电子所需的能量分别为Ev+0.15eV， Ec-0.20eV和Ec-0.04eV； 金原子外层 有一个电子，可以受激到导带成为自由电 子，产生一个施主能级Ev+0.05eV。
10
2.杂质对材料电阻率的影响 半导体材料的电阻率与载流子密度和载流子的迁移率有关。 存在多种杂质，电阻率与杂质浓度的关系近似表示为
1 ( N A N D )e P
1 ( N D N A )e n
NA、ND：材料中受主和施主的 浓度；e：电子、空穴所带电量； p、 n：空穴、电子的迁移率。
d
Si中的Au杂质能级
实验表明: 两个复合中心俘获电子、空穴的能力不同。
P型硅，寿命与Ev+0.35eV（施主能级）上俘获电子的能力 有关，俘获系数r-=6.3×10-8cm3/s。
N型硅，寿命与Ec-0.54eV受主能级俘获空穴的能力有关， 俘获系数r+=1.15×10-7cm3/s。 r+＞r-，受主能级俘获空穴能力比施主能级俘获电子能力大。
1
2. 周期表中除Ⅲ族和Ⅴ族以外的杂质(如Ⅰ副族和过 渡金属元素)。 特点：电离能大，对材料的导电性质影响小，主要起 复合中心或陷阱的作用。 杂质在硅、锗中的能级与它的原子构造、在晶格 中所占的位置有关。 如：Ⅲ族和Ⅴ族杂质在锗中占替代式晶格位置，电离 后，可提供一个受主或施主能级； Ⅱ族的Zn或Cd杂质原子进入锗中, 居替代作用，电离 后，可提供两个受主能级。
第四章 硅、锗晶体中的杂质和缺陷 半导体材料中的杂质和缺陷对其性质具有重要影响。 4-1 硅、锗晶体中杂质的性质 4-1-1 杂质能级 杂质对硅、锗电学性质的影响与杂质的类型和能级在禁带 中的位置等有关。 硅.、锗的杂质大致可分为两类： 1. 周期表中Ⅲ族或Ⅴ族杂质。 特点：电离能低，对材料的电导率影响大，起受主或施主 作用。
3
金的各能级电子分布状态与材料中存在的其它杂质的种 类和数量及温度有关。 1.锗中掺有N型浅施主杂质（如砷）时，金的受主能级起 补偿作用，有几种情况：
⑴ 0＜NAs＜NAu（NAs、NAu分别代表砷浓度和金浓度）时， 砷能级电子全部落入金的第一受主能级上但还不能填满 它。
温度 ，价带中的电子受热激发填充此受主能级，材料 呈现P型。
7
⑵NGa＞NAu，金原子施主能级上的电子全部落入镓 的能级上，补偿后，余下的镓能级上的空穴激发到 价带上，材料仍是P型。
金在硅中有两个能级，一个是Ec-0.54eV（受主）， 另一个是Ev+0.35eV（施主）。
a d
Ec-0.54eV
Ev+0.35eV
过渡金属Mn、Fe、Co、Ni原子，外层只有两个4s电 子，行为与双重受主相似。次外层没填满的d壳层不 起作用。
a 硅中掺入N型杂质（如磷）时，浅 施主杂质将金受主能级全部填充， 生成Au-1离子，它使价带中空穴激 发到此能级上与电子复合。 P型硅中，施主能级Ev+0.35eV上 的电子与浅受主杂质发生补偿，生 成Au+，Au+将强烈地吸引导带中的 电子下落重新填充，从而产生复合 作用。
14
Ec-0.54eV Ev+0.35eV Ev