第四章光波导原理
第4章 光在波导中的传播
φ0 p = arctan
2 n12 sin 2 θ − n0 2 n0 cosθ / n1
特征方程中 特征方程 k0 n1 cosθ 是薄膜中波矢量在x方向的分量，它是 薄膜中的横向相位常数，可表示为：
k1x = k0 n1 cosθ
于是特征方程可写为： 2k1x h − 2φ1 − 2φ0 = 2mπ 该式表明，由波导的某点出发，沿波导横向往复一次回到原 处，总的相位变化应是 2π 的整数倍。这使原来的波加强，即 横向谐振条件。 相当于在波导的横向谐振，因而叫做波导的横向谐振条件 横向谐振条件 横向谐振特性是波导导波的一个重要特性。 2．导波的模式 对给定的波导、工作波长和整数m，由特征方程可求出形 成导波的入射角。以该角入射的平面波即形成一个导波模式。
2 2h n12 − n2 对于n 的所谓对称平板波导，截止波长为： 对于 2=n0的所谓对称平板波导，截止波长为： λc = m
该式对TE模和TM模都适用，这就是说，对于对称波导，模序 数相同的TE模和TM模具有相同的截止波长 λc 。但是，TE0模 （或TM0模）的截止波长=∞，此时没有截止现象，这是对称 波导的特有性质。
第四章 光在波导中的传播
光波被约束在确定的介质中传播 时，由这种介质构成的光波通道称 为光学介质波导，或简称为光波导 为光学介质波导，或简称为光波导
光通信的迅速发展， 光通信的迅速发展，促进了对与之有密切联系的光波导技 术的研究。光波导技术是一种以光的电磁场理论为基础， 术的研究。光波导技术是一种以光的电磁场理论为基础，对 光波实施限制和传输的技术。其中， 光波实施限制和传输的技术。其中，介质波导和光纤是两种 最常用和最重要的光波导。下面将以射线理论和电磁场理论 射线理论和电磁场 最常用和最重要的光波导。下面将以射线理论和电磁场理论 分析光波在介质波导和光纤中的传导模式和传播特性， 介质波导和光纤中的传导模式和传播特性 分析光波在介质波导和光纤中的传导模式和传播特性，并介 绍导波光学器件的典型应用。 绍导波光学器件的典型应用。 第一节 光在平板波导中的传播
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。
光波导原理
☆ ☆ ☆
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。
光波导原理pdf
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。
光波导工作原理
光波导工作原理宝子们！今天咱们来唠唠光波导这个超酷的东西的工作原理，可有意思啦！光波导呢，就像是光的高速公路。
你想啊，光就像一群调皮的小精灵，到处乱窜。
但是在光波导里，它们就得乖乖听话，沿着特定的路线跑。
光波导一般是由一些特殊的材料做成的，这些材料对光就有着神奇的约束能力。
咱先来说说这个材料的奥秘。
就好比是一个超级严格的班主任，光波导的材料把光管得死死的。
比如说玻璃或者一些特殊的晶体，它们内部的结构就像是给光挖好了一条条小隧道。
光一进去，就像小朋友进了有轨道的小火车，只能沿着这个轨道走啦。
这是为啥呢？这是因为这些材料的折射率和周围的环境不一样。
折射率就像是光在这个材料里的“交通规则”，光在不同折射率的介质里传播速度和方向都会发生变化。
光波导材料的高折射率就像一堵无形的墙，把光给圈在里面，让它只能沿着特定的方向传播。
那光在这个光波导里到底是怎么跑的呢？光在里面就像在玩一场超级有趣的接力赛。
当光从一端进入光波导的时候，它就开始了自己的旅程。
如果把光波导想象成一根长长的管道，光就像一颗闪闪发光的珠子在管道里滚动。
它在里面会不断地反射，就像弹球在一个封闭的盒子里弹来弹去一样。
每次反射都遵循着一定的规律，这个规律也是由材料的性质决定的。
而且光在里面传播的时候，能量也在不断地传递。
就像一个小火苗，虽然在跳动，但是能量一直在沿着光波导的方向走呢。
你可能会想，光在里面这么弹来弹去的，会不会迷路呀？哈哈，当然不会啦。
这就又要说到光波导的巧妙设计了。
它的形状和尺寸都是经过精心计算的。
比如说，有的光波导是很细很细的丝状，光在这种细细的光波导里传播，就像在走钢丝一样刺激，但又稳稳当当的。
还有的光波导是平板状的，光在平板里就像在一个透明的小盘子里滑行。
这些不同的形状都是为了让光能够按照我们想要的方式传播。
再说说光波导在实际中的应用吧。
它就像一个超级明星，在很多地方都大放异彩呢。
在光纤通信里，光波导可是大功臣。
我们在网上看视频、和朋友聊天，这些信息都是通过光在光波导（光纤就是一种光波导啦）里快速地传递。
光波导原理
☆ ☆ ☆
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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
u2 w2 k02 n12 n22 a2 V
16/28
《光电子技术》● 第四章 光波导原理
2015-11-10【17】
光纤的物理光学分析—导模的解
以纵向场表达横向场，有：
Er
第四章 光波导原理
4.1 平板型介质光波导
光
波
4.2 通道型介质光波导
导
原 理
4.3 光纤
4.4 新型光波导
1/28
《光电子技术》● 第四章 光波导原理
2015-11-10【17】
光纤（圆柱光波导）
光纤的基本知识 光纤的结构参数 光纤的射线光学分析 光纤的物理光学分析 光纤的传输特性
20
1~2
较差 大而重
敷设 安装
一般
接续 方便
同轴电缆 400 MHz
19
1.6
较差
一般 方便 较方便
光纤 >10GHz 0.2~3
>50 不受干扰 小而轻 方便 特殊
带宽极宽，容量极大 光 纤 衰减小，传输距离远 的 抗电磁干扰，保密性好，传输质量高 优 点 尺寸小重量轻33g/km，便于运输和敷设
)
s2
k02n2
2 v2
2 R(
)
0
Bessel函数
15/28
《光电子技术》● 第四章 光波导原理
2015-11-10【17】
光纤的物理光学分析—导模的解
根据Z(z)、 、R r 的表达式，得出导模的解：
Ez1 C1C2e iv e j zJv
个独立的方程：
14/28
《光电子技术》● 第四章 光波导原理
2015-11-10【17】
光纤的物理光学分析—场方程
1 Z
2Z(z) z 2
2
1
2( 2
)
v2
光沿z向传播，考虑无穷远处场有限
圆柱对称性，稳定的电磁场沿φ向的 分布必须是以2π为周期的函数【即正 弦或余弦函数(虚指数函数】
Z z C1ei z
C2eiv
r2
2 R( r ) r 2
r
R(r) r
R(r
)
k02n2 2
r2 v2 0
2 k02n2 2 r2 s2r2
2
d 2R( d 2
)
dR( d
8/28
《光电子技术》● 第四章 光波导原理
2015-11-10【17】
光纤的结构参数—数值孔径
数值空间（N.A）光纤可能接受外来入射光的最大受光角(φ 0max)的正
弦与入射区折射率的乘积.
全反射要求：1
c
sin1
n2 n1
2
n0 sin0max n1 sin 90 c
原料丰富，节约金属
光 纤 极易断裂
的 弯曲能力差 缺 点 切断与接续要求高
4/28
《光电子技术》● 第四章 光波导原理
2015-11-10【17】
光纤的基本知识—光纤的结构
纤芯和包层仅在折射率 等参数上不同，结构上 是一个完整整体
涂覆层的主要作用 是为光纤提供保护
芯层: SiO2+Ge+F 包层: SiO2+F 内涂覆层:丙烯酸树脂 外涂敷层:丙烯酸树脂
在圆柱坐标系中波动方程为
1 r
r
r
Ez ( , r, z) r
1 r2
2Ez ( , r, z) 2
2Ez ( , r, z 2
z)
k02n2Ez ( , r,
z)
0
采用分离变量法，令 Ez Rr Z z ，则上式可化为三
n1 cosc n1
1
n2 n1
n12 n22
于是得 N . A. n0 sin0max n12 n22
N.A.代表光纤接收入射光的能力，只
有 max的光锥内的光才可能在光
纤中发生全反射而向前传播.
对于波长 1.55μm 处典型
值n1 1.46 ，n2 1.455 ，可算得 N .A. 0.12
光纤一般分为三层：中心高折射率玻璃芯（芯径一般为50或 62.5μm），中间为低折射率硅玻璃包层（直径一般为125μm）， 最外是加强用的树脂涂层.
3/28
《光电子技术》● 第四章 光波导原理
2015-11-10【17】
光纤的基本知识—光纤的优缺点
传输介质 对绞线
带宽 6 MHz
衰减系数 中继距 抗电磁干 尺寸与 dB/km 离km 扰性能 重量
n1
n2
纤芯
包层 Φ125μm
通信光纤基本结构
涂覆层 Φ250μm
无论何种光纤，其包 层直径都是一致的
5/28
《光电子技术》● 第四章 光波导原理
2015-11-10【17】
光纤的基本知识—光纤的分类
按光纤折射率分布分：
阶跃折射率光纤；渐变折射率光纤
按光纤传输模式分：
单模光纤: 芯径约10微米, 光在其中几乎沿轴向传输，传输带宽10GHz. 多模渐变型光纤: 芯径约50微米，光的传输轨迹近似为正弦型，传输带
18/28
《光电子技术》● 第四章 光波导原理
2015-11-10【17】
光纤的物理光学分析—模式分析
当ν =0时【子午光线】，可以得到两套独立的分量:一套是Hz、Hr、 Eφ，Z向上只有H分量，称为TE模; 一套是Ez、Er、Hφ，Z向上只 有E分量，称为TM模.
ν ≠0【偏射光线】，Z向上既有Ez分量，又有Hz分量，称之为混合 模. Z向上的Ez分量比Hz分量大，称为 EHνμ模, 若Z向上的Hz分量比 Ez分量大，称为 HEνμ模.
两散焦面之间光波按驻波分布，其 外场沿径向按指数衰减.
入射角θ1越大，内焦面越逼近外焦 面【θ1=90o 时,两焦面重合】.
光纤端面光线入射面与圆柱面相切， 光纤中的传导光线为一条与圆柱面 相切的螺线.
散焦面
13/28
圆柱介质波导中的偏射光线
《光电子技术》● 第四章 光波导原理
2015-11-10【17】
ν是贝塞尔函数的阶数，称为方位角模数，它表示纤芯沿方位角φ 绕一圈场变化的周期数; μ是贝塞尔函数的根按从小到大排列的序 数，称为径向模数，它表示从纤芯中心（r=0）到纤芯与包层交界 面（r=a）场变化的周期数.
19/28
《光电子技术》● 第四章 光波导原理
2015-11-10【17】
光纤的物理光学分析—场分布
光纤的物理光学分析—场方程
假设光纤为无限长圆柱系统，芯区半径a ，折射率n1；包层沿径向延伸 至无限远【 r→∞，这一假定主要是考虑到实际的导波模的包层内的场随 r的增加迅速衰减，“看”不到包层的外边界】，折射率n2（<n1 ） ； μ1=μ2=μ0，无损.
Ez满足的波动方程为
2Ez ( x, y, z) k02n2Ez ( x, y, z) 0
k2
i
2
Ez r
0
r
Hz
E
k2
i
2
r
Ez
0
Hz r
Hr
k2
i
2
Hz r
r
Ez
H
k2
i
2
r
Hz
Ez r
将Ez、Hz代入，并考虑边界连续条件，得到导模本征方程(色散方程)：
s1r
AJ v
u a
r
e
iv
e
i
z
Hz1
BJ v
u a
r
z
r a
Ez2
CKv
w a
r
e
iv
e
i
z
Hz2
DKv
w a
r
e
iv
e
i
z
r a
式中 A C1C2
11/28
《光电子技术》● 第四章 光波导原理
2015-11-10【17】
光纤的射线光学分析—子午光线
平板波导：光轨迹在一个平面内，只要用界面入射角θ就能描述 光线的方位.
光纤：光线可能通过波导轴线(子午光线)而在同一平面内传播， 也可不通过轴线(偏射光线)在不同的平面内传播【光线与界面法 线夹角θ，与轴线夹角φ】.
子午光线：入射角通过圆柱轴线，且大于临界角时，光将在柱面 上不断发生反射，形成曲折光线，传导光线的轨迹始终处于入射 光线与轴线决定的平面(子午面)内.
12/28
光纤芯中的子午光线
《光电子技术》● 第四章 光波导原理
2015-11-10【17】
光纤的射线光学分析—偏射光线
入射光线不通过圆柱波导轴线时，传导光线按空间折线传播，称偏射光线. 偏射光线的端截面投影被完全被限制在两个共轴圆柱面【散焦面】间.