《光波导理论及器》PPT课件
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《光波导理论与技术》课件
光计算和光传感等领域。
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
感谢观看
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。
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
感谢观看
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。
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
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。
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
光波导器件ppt课件
第3节 光波导器件
光在介质表面的反射与折射 全反射 平面光波导
1
光在介质界面上的反射与折射
界面条件：
nˆ1 n1; nˆ2 n2 i2
P光：光矢量与入 射面平行, TM波 N光：光矢量与入 射面垂直, TE波
1 1 1
O
2
Z 2
X
图 1.3.1 光在介质与导电材料界面上的反射与折射 Fig1.3.1 reflection and refraction of light on the surface between transparent medium and conducting medium
4
反射率与相移
rj j exp( i j ); j p n
• 反射率
Rj
2 j
自然光
R
1 2
(Rp
Rn )
• 相移 j ; j p n
5
举例
• 求 0.431m 的p光从空气垂直入射铝板
（移nˆ2 0.78 i 2.85 ）上的反射率并讨论光的相
解：因为垂直入射，所以 1 2 0 于是
反射系数r：反射光与入射光振幅之比；反射率R：反射光与入射光强度之比
透射系数t：透射光与入射光振幅之比；透射率T：透射光与入射光强度之比
2
定律 1 1 n1 sin1 nˆ2 sin2
3
反射率Ri ri 2; 透射率Ti ti 2 i p, n
显然：R+T=1
rp
nˆ2 nˆ2
c os1 c os1
rp
(n2 (n2
n1) i2 n1) i2
n2 n2
n1 2 n1 2
2 2
2 2
1/ 2
光在介质表面的反射与折射 全反射 平面光波导
1
光在介质界面上的反射与折射
界面条件：
nˆ1 n1; nˆ2 n2 i2
P光：光矢量与入 射面平行, TM波 N光：光矢量与入 射面垂直, TE波
1 1 1
O
2
Z 2
X
图 1.3.1 光在介质与导电材料界面上的反射与折射 Fig1.3.1 reflection and refraction of light on the surface between transparent medium and conducting medium
4
反射率与相移
rj j exp( i j ); j p n
• 反射率
Rj
2 j
自然光
R
1 2
(Rp
Rn )
• 相移 j ; j p n
5
举例
• 求 0.431m 的p光从空气垂直入射铝板
（移nˆ2 0.78 i 2.85 ）上的反射率并讨论光的相
解：因为垂直入射，所以 1 2 0 于是
反射系数r：反射光与入射光振幅之比；反射率R：反射光与入射光强度之比
透射系数t：透射光与入射光振幅之比；透射率T：透射光与入射光强度之比
2
定律 1 1 n1 sin1 nˆ2 sin2
3
反射率Ri ri 2; 透射率Ti ti 2 i p, n
显然：R+T=1
rp
nˆ2 nˆ2
c os1 c os1
rp
(n2 (n2
n1) i2 n1) i2
n2 n2
n1 2 n1 2
2 2
2 2
1/ 2
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
第六章光波导理论及器件
x
n3 n1 n2 z
c13 c12 i
i
ห้องสมุดไป่ตู้
引入 沿z方向的传播常数
k1
kz k1 sin i k1 n1k0
n2 k2 n1 k1
sin i sin c12
k2
z方向最大传播常数
则
k2 k1 n2 k0 n1k0
12
2 Ey x
2
( 2 2m ) E y ( 2 n2k 2 ) Ey 2 H y x 2 ( 2 n2 k 2 ) H y
k 0 m0
同样
TE波：只存在电场横向分量
令 H y 0 Ex 0 则TE波中，仅剩 Ey , H z , H x 且 Hx Ey m
j H z ( x) m ( A sin x B cos x),
A2 2 x m
e , ,
H z(2) ( x)
j 2 A2 m
e 2 x ,
H ( x)
A3 3 x m
e
x0
3 A3 3 x H z(3) ( x) jm e ,
9
复共轭
介质中
D E B mH
E ( x, y, z; t ) E ( x, y, z )e jt c.c. H ( x, y, z; t ) H ( x, y, z )e jt c.c.
E ( x , y , z ; t ) B ( x, y , z ; t ) t H ( x, y, z; t ) D( x, y, z; t ) t
正整数—模数
《光波导理论教学课件》电磁场基本方程
0 E j0 H j k0 H j (t z ) E Et E z ez e
0
j (t z ) H H t H z ez e
0 j (t z ) j (t z ) e E E e e j k H H e t z t z z 0 t z z e z 0 jz Et E z jz jEt ez e t Et t E z ez ez z ez z ez e 0 j k0 H t H z ez e jz
it H r , t H r e H iH t
各向同性的线性光学介质，麦克斯韦方程：
E i0 H H i 0 r E D 0 B 0
单色平面波：
波振面：将某一时刻振动相位相同的点连结起来，组成的曲面。 平面波：波振面垂直与传播方向的平面。
同理
0 k0 E z t H t j 0 H j H j 0 k e E t 0 z t t z 0
0 －j Et＝ 2 2 t Ez－ k0ez t H z 2 k0 n 0
2
2 2 2 2 2 2 E k0 n E＝ t E－ E＋k0 n E 0 2 2 2 2 2 2 2 H k0 n H t H－ H＋k0 n H 0 E＝Et E z ez H＝H t H z ez 2 2 2 2 t Et E z ez Et E z ez ＋k0 n Et E z ez 0 2 2 2 2 t H t H z ez H t H z ez ＋k0 n H t H z ez 0
第一章 光波导基本理论ppt课件
(b)
Evanescent wave
1
c
1
TIR
(c)
sin nn 1 ac nd total internal reflection (TIR).
2 c
1
[2.1-4]
11
▪ 思考：一只鱼或一个潜水员在水下仰望天空， 大概是什么样的？
12
鱼眼看天空
全反射
water
13
水下的天空
▪ 为什么图片中天空是这样的
1-d potential well (particle in a well)
• 离散能级 (能态) • 势阱越深将支持更多的能级
69
硅片上的条形波导
x Single-crystal Silicon
Silicon oxide cladding Silicon substrate
n Unfortunately quantum
tan
12
p
思考：κ和β分别具有什么物理意义？
k0n1 sin
k0n1 cos
65
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？
h k0n1h cos
思考：解的数量还和什 么因素有关？
还需满足解出的θ大于临界角
sin c
n2 n1
66
影响平板波导本征解数量的因素
Helmholtz equation:
[2x k02n2 2 ]U ( x) 0
Schrödinger equation:
[
1 2m
2x
V
E]
(x)
0
x
nclad
V
? ncore
Evanescent wave
1
c
1
TIR
(c)
sin nn 1 ac nd total internal reflection (TIR).
2 c
1
[2.1-4]
11
▪ 思考：一只鱼或一个潜水员在水下仰望天空， 大概是什么样的？
12
鱼眼看天空
全反射
water
13
水下的天空
▪ 为什么图片中天空是这样的
1-d potential well (particle in a well)
• 离散能级 (能态) • 势阱越深将支持更多的能级
69
硅片上的条形波导
x Single-crystal Silicon
Silicon oxide cladding Silicon substrate
n Unfortunately quantum
tan
12
p
思考：κ和β分别具有什么物理意义？
k0n1 sin
k0n1 cos
65
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？
h k0n1h cos
思考：解的数量还和什 么因素有关？
还需满足解出的θ大于临界角
sin c
n2 n1
66
影响平板波导本征解数量的因素
Helmholtz equation:
[2x k02n2 2 ]U ( x) 0
Schrödinger equation:
[
1 2m
2x
V
E]
(x)
0
x
nclad
V
? ncore
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• 基质：玻璃
n1n210 3~10 1
ppt课件
4
平板波导结构中可能存在的几种波的模式
非 对 称 ： n1n2n3
i c13c12
辐射波（辐射模）
c13i c12
基质辐射波（基质模）
c13 c12 i
传导波（传导模）
ppt课件
5
平板介质波导中的导波
x：横向约束
x n3
y：均匀 z：传播
c13 c12 i
H z H y y z
j E x
H x z
H z x
j E y
H y H x x y
j E z
E y m H x
j Ex
E z x
j m H y
E y x
j m H z
H y Ex
j H x
H z x
j E y
H y x
j E z
m m m 2Ey
x2
jmHz
x
对光学现象的完善描述需借助电磁理论分析
不存在自由电荷和传导电流时
D
E(x, y,z;t) B(x, y,z;t) t
H(x, y,z;t) D(x, y,z;t) t
直角坐标系中
( , , ) x y z
B0
E B t
H jD t
若麦克斯韦方程组具有随时间周期变化的解，可表示为
光线在介质界面发生反射和折射
n1sin 1n2sin 2
1
arcsinn2 n1
发生全反射
光被限制在第1介质内，全反射可用于限制光的传输
ppt课件
3
平板波导
覆盖层
涂层 n1n2 n3
基质
对称平板波导 n1 n2 n3
空气
非对称平板波导 n1 n2 n3 1
• 覆盖层：通常为空气，n3 1
• 涂层：介质薄膜，mm量级，也称薄膜波导
覆p盖pt课件层-E在x方向衰减-虚数
13
从而 各层中
n2 2k2， n3 2k22n1 2k2
0
n3
Ey(x)AcosxBsinx, -dx0 d
n1
n2
Ey(2)(x)A2e2x B2e2x,
xd
Ey(3)(x)A3e3x B3e3x,
x0
x场不能无限大，故
B2 B3 0
Ey(x)AcosxBsinx,
Hz=jmE xy
TE波中的所有电磁分量均由 E y 决定，满足常系数二阶微分方程
Ey(x)ejx'ejx
对于平板波导的三个层
1 2
= =
(n12 k
(
n
2 2
k
2 2
2 2
)1/ 2 )1/ 2
波导层-E在x方向周期变化-实数 基质层-E在x方向衰减-虚数
3 = ( n32 k 2 )2 1/2
E(x,y,z;t)E(x,y,z)ejt c.c. H(x,y,z;t)H(x,y,z)ejt c.c.
ppt课件
复共轭
9
介质中
D E B mH
E(x,y,z;t)E(x,y,z)ejt c.c. H(x,y,z;t)H(x,y,z)ejt c.c.
EH((xx,,yy,,zz;;tt))ttBD((xx,,yy,,zz;;tt))
x0
H (x) (3)
ppt课件 z
j3A3 m
e3x,
x014
三层中三个分量的表达式全部获得，利用了横电特性
及三层介质中光传播特性
需求解A、B、A2、A3系数，利用边界条件
边界面上，电磁场切向分量连续
i
n1
n2 z
引入 沿z方向的传播常数 kz k1sinik1 n1k0
k1sini sinc12n n1 2kk1 2 k2
则
k2 k1 n2k0n1k0
z方向最大传播常数
n2 / k0 n1
导波有效折射率N
Mk1n1k0
n1k0:导 波 截 止
Nk1ps pt课件iin /k0n 1siin
j (H xexH yeyH zez)
ppt课件
10
E z y
E y z
j m H
x
E x z
E z x
j m
H
y
E y x
E x y
j m
H
z
z y
H y z
j E x
H x H z z x
j E y
H y x
H x y
j E z
没有自由电 荷和传导电 流，无其它 条件
平板波导中的麦克斯韦方程组
六. 光波导理论及器件基础
6.1 平板波导
6.2 通道波导
6.3 光波导器件
ppt课件
1
光波导的概念
光纤、平面薄膜、窄条
对光辐射实施限制和传输的技术
研究方法：射线理论、电磁场理论
研究内容：光波导中光的传播行为、传导模式 、传输特性
ppt课件
2
平板波导
射线光学：直观、近似
电磁理论：复杂、完善
Ey(2)(x)A2e2x, Ey(3)(x)A3e3x,
-dx0 xd x0
H
x
m
Ey
H
z
=
j m
E y x
Hx(x)m(AcosxBsinx), -dx0 Hz(x)jm(AsinxBcosx), -dx0
Hx(2)(x)Am2 e2x,
xd
Hz(2)(x)j2mA2 e2x,
xd
Hx(3)(x)Am3 e3x,
导波沿z传播，则横向分量 EE tejz,H H tejz
E zEt(j)ejzjE
z
j
波导y方向无限大，不受限制，E、H在y方向不变，则
E H 0 y y
ppt课件
11
j z
E z y
E y z
j m H
x
E x z
E z x
j m H
y
E y x
E x y
j m H
z
E H 0 y y
j ( jppt课E 件y jH x ) 2E y H x12
2Ey x2
(2 2m)Ey
(2 n2k2)Ey
k 0m0
同样
2Hy x2
(2 n2k2)Hy
TE波：只存在电场横向分量
令 H y 0 Ex 0
Ez 0
H y 0 x
则TE波中，仅剩 Ey, Hz, Hx 且
HxmEy
6
TE与TM
TE模（纵向电场分量为0）
H
k
E
z
TM模（纵向磁场分量为0）
E
k
H
z
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7
古斯-汉森位移和波导层的有效厚 度--波导中的光能流问题
全反射：反射率为1，没有能流进入基质。实际上，存在倏逝波，沿x方 向迅速衰减，z方向存在位移。
有效波导层厚度
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deff dxs xs
8
平板波导的电磁理论基础
m ( E ) e j t c . c . B ( j) e j t c . c . jH e j t c . c .
( E )=jmH 没有自由电荷和传导电流时电
同时 (H)=jE 磁空间分量的麦克斯韦方程组
(E)=jmH
= m ( E y z E zy)e x ( E zx E x z)ey ( E x y E y x)e z