光波导的一些基本概念
导波光学
光线通过内全反射被束缚在中心薄膜之中。只有当n2和n3都
小于n1时，才会发生内全反射。
电介质波导 （n1>n2,n1>n3)
衬底界面上的临界角为
n2 sin c .......... .......... ...... 4.1 n1
1
0 n3
麦克斯韦方程
H D t r r E B t r D r B r r
无源波动方程
若 Maxwell 方程组中电荷源和电流源为 0 ， 则 B D E ; H t t B 0 有 D 0 ;
导波光学理论
光波导的基本概念
导波光：受到约束的光波 光波导：约束光波传输的媒介
介质光波导三要素：
• “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
PIC: Photon
OEIC: Optoelectronic MCVD: Modified MOCVD:
Metal Oxide chemical vapour deposit Phase Epitaxy
MBE:
Molecular Beam Epitaxy
LPE: Liquid
PCVD: Plasmon chemical vapour deposit
光波导技术的广阔应用领域
光波导技术
信息获取
信息传输
信息处理
其它应用
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
光栅光波导
光栅光波导一、光栅光波导的基本概念光栅光波导是一种利用光栅结构来实现光波导的器件。
在光栅光波导中，通过在介质中引入周期性折射率变化的结构，使得该介质中存在了一系列的模式，这些模式能够将入射的光线引导到特定方向上传输。
因此，可以将其看作是一种具有特殊传输性质的波导器件。
二、光栅结构的原理1. 光栅结构的定义在物理学中，所谓“光栅”指的是由若干平行且等距离排列的透明或不透明条纹组成的结构。
其中，透明条纹和不透明条纹之间交替出现，并且宽度相等。
这样的结构被称为“衍射光栅”。
2. 光栅衍射原理当平行入射于衍射光栅上时，由于其周期性结构会对入射光进行反射、折射、透过、干涉等多种物理作用，从而使得出射的光束呈现出特定方向和强度分布。
3. 具有周期性折射率变化的光栅结构在光栅光波导中，采用了具有周期性折射率变化的光栅结构。
这种结构可以通过在介质中引入周期性的折射率变化来实现。
当入射波与该结构相互作用时，它会被分解成不同的频率和方向，并且这些分量会沿着特定方向传播。
三、光栅光波导的工作原理1. 入射波与光栅相互作用当入射波与光栅相互作用时，由于其周期性结构会对入射波进行反射、折射、透过、干涉等多种物理作用，从而使得出射的光束呈现出特定方向和强度分布。
2. 具有周期性折射率变化的光栅结构在光栅光波导中，采用了具有周期性折射率变化的光栅结构。
这种结构可以通过在介质中引入周期性的折射率变化来实现。
当入射波与该结构相互作用时，它会被分解成不同的频率和方向，并且这些分量会沿着特定方向传播。
3. 光栅光波导的传输特性由于光栅光波导中的光束具有特定的方向和强度分布，因此可以将其用作分光器、滤波器、耦合器等器件，用于实现光信号的控制和调制。
四、应用领域1. 通信领域在通信领域中，光栅光波导被广泛应用于实现滤波器、耦合器、分路器等功能。
这些器件可以用于调制和控制光信号的传输，从而实现高速数据传输。
2. 生物医学领域在生物医学领域中，利用光栅光波导可以实现生物分子检测、细胞成像等功能。
光波导基础及其常用器件
(8-2)
(8-2)变为 方程通解为
Ey E(x)exip z)(
[x22k02n2(x)2]Ey 0 k0 200
E y A ei x k 0 2 n p 2 (2 x ) B ex ik 0 p 2 n 2 (2 x )
由于相位跃变依赖于，那么很显然，一个m值对应一组满足以上条件的
m和m，那么便得到光波可以在波导传播的条件，称为波导条件。
2n1(2a)com s) (mm
当光频一定时，一个m值对应于一个入射角m，称满足波导条件的光波为波 导的传播模。
以上得到波导条件没有考虑光波具有一定的空间分布，而只是简化为光线，以 下考虑量任意平行的光线入射的情况，同样可以得到以上波导条件。
1e ex x 0 p p 1 1a a][][ B B A 3 2 2 0
(8-10)
方程有解，以上行列式必须为零，从而得到传播常数的本征方程
1 c 2 a ) o 2 s 2 a s ) i 2 c n ( 2 a ) o 1 s (2 a s ) i 0 n ((8-1( 1)
(8-9)
改写成矩阵形式为
exp1a][ exip 2a []
exip 2a][
0 A 1
1exp1a][
0
0
i2exip 2a [] exip 2a][
i2exip 2a][
i2exip 2a][ exip 2a []
i2exip 2a []
H ,H t2H t3
(8-8b)
对称的平面波导－波动理论
Symmetry Planar Dielectric Slab Waveguide
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。
光波导原理
光波导原理
《光波导原理》
一、什么是光波导？
光波导是一种在光学和通信领域彻底改变了传输和传输的结构
的新型光纤，它具有非常宽的带宽，可以传输大量的经济实用的信息，是一种极具有应用前景的新型光纤。
二、光波导的结构
光波导是一种结构特殊的光纤，其基本结构包括：一个芯线和外面的聚合物层，两者夹在一起，芯线由透明的垫片和特殊折射率的金属包围，它可以导入和导出光，其基本原理是以一种精确的半径折射的金属结构将光纤管内的激光光从外部引入到管内，并可以在芯线的内部传播。
三、光波导的优点
1、光波导具有非常宽的带宽，可以传输大量的经济实用的信息。
2、由于金属结构的折射率可以很好地抑制外部干扰，它可以保证传输数据的稳定性。
3、它可以有效地减少传输信息需要的光纤的数量，因此可以节省建设成本。
4、由于光波导只需要很少的维护，使用寿命比传统光纤更长久。
四、光波导的应用
光波导的应用非常广泛，主要用于移动通信、数据传输、电缆系统等。
它可以将高清的视频信号、音频信号、电脑数据以及其他类型
的信号传输到不同的地方。
而且它可以在相同的线路上传输多种不同类型的信号，可以同时传输多路信息，可以有效地提高信息传输效率。
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
- 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)。
平面光波导，英文缩写PLC是英文Planar Lightwave Circuit的缩写，翻译成中文为：
平面光波导(技术)。
所谓平面光波导，也就是说光波导位于一个平面内。
正如大家所熟悉的单层电路板，所有电路都位于基板的一个平面内一样。
因此，PLC是一种技术，它不是泛指某类产品，更不是分路器！我们最常见的PLC分路器是用二氧化硅(SiO2)做的，其实PLC技术所涉及的材料非常广泛，如玻璃/二氧化硅(Quartz/Silica/SiO2)、铌酸锂(LiNbO3)、III-V族半导体化合物(如InP, GaAs等)、绝缘体上的硅
(Silicon-on-Insulator, SOI/SIMOX)、氮氧化硅(SiON)、高分子聚合物(Polymer)等。
基于平面光波导技术解决方案的器件包括：分路器(Splitter)、星形耦合器(Star
coupler)、可调光衰减器(Variable Optical Attenuator, VOA)、光开关(Optical switch)、光梳(Interleaver)和阵列波导光栅(Array Waveguide Grating, AWG)等。
根据不同应用场合的需求(如响应时间、环境温度等)，这些器件可以选择不同的材料体系以及加工工艺制作而成。
值得一提的是，这些器件都是光无源器件，并且是独立的。
他们之间可以相互组合，或者和其他有源器件相互组合，能构成各种不同功能的高端器件，如：VMUX = VOA + AWG、WSS = Switch + AWG等(图2)。
这种组合就是PLC技术的未来发展方向-光子集成(Photonic Integrated Circuit, PIC
随着FTTH的蓬勃发展，PLC(Planar Lightwave Circuit,平面光路)已经成为光通信行业使用频率最高的词汇之一，而PLC的概念并不限于我们光通信人所熟知的光分路器和AWG，其材料、工艺和应用多种多样，本文略作介绍。
1.平面光波导材料
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，各种材料上制作的波导结构如图1所示，其波导特性如表1所示。
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称底，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。
2.平面光波导工艺
以上六种常用的PLC光波导材料中，InP波导、二氧化硅波导、SOI波导和聚合物波导以刻蚀工艺制作，铌酸锂波导和玻璃波导以离子扩散工艺制作，下面分别以二氧化硅波导和玻璃波导为例，介绍两类波导工艺。
二氧化硅光波导的制作工艺如图2所示，整个工艺分为七步：
1)采用火焰水解法（FHD）或者化学气相淀积工艺（CVD），在硅片上生长一层SiO2，其中掺杂磷、硼离子，作为波导下包层，如图2（b）所示；
2)采用FHD或者CVD工艺，在下包层上再生长一层SiO2，作为波导芯层，其中掺杂锗离子，获得需要的折射率差，如图2（c）所示；
3)通过退火硬化工艺，使前面生长的两层SiO2变得致密均匀，如图2（d）所示。
4)进行光刻，将需要的波导图形用光刻胶保护起来，如图2（e）所示；
5)采用反应离子刻蚀（RIE）工艺，将非波导区域刻蚀掉，如图2（f）所示；
6)去掉光刻胶，采用FHD或者CVD工艺，在波导芯层上再覆盖一层SiO2，其中掺杂磷、硼离子，作为波导上包层，如图2（g）所示；
7)通过退火硬化工艺，使上包层SiO2变得致密均匀，如图2（h）所示。
二氧化硅波导工艺中的几个关键点：
1)材料生长和退火硬化工艺，要使每层材料的厚度和折射率均匀且准确，以达到设计的波导结构参数，尽量减少材料内部的残留应力，以降低波导的双折射效应；
2)RIE刻蚀工艺，要得到陡直且光滑的波导侧壁，以降低波导的散射损耗；
3)RIE刻蚀工艺总会存在Undercut，要控制Undercut量的稳定性，作为布版设计时的补偿依据。
玻璃光波导的制作工艺如图3所示，整个工艺分为五步：
1)在玻璃基片上溅射一层铝，作为离子交换时的掩模层，如图3（b）所示；
2)进行光刻，将需要的波导图形用光刻胶保护起来，如图3（c）所示；
3)采用化学腐蚀，将波导上部的铝膜去掉，如图3（d）所示；
4)将做好掩模的玻璃基片放入含Ag+－Na+离子的混合溶液中，在适当的温度下进行离子交换，如图3（e）所示，Ag+离子提升折射率，得到如图3（f）所示的沟道型光波导；
5)对沟道型光波导施以电场，将Ag+离子驱向玻璃基片深处，得到掩埋型玻璃光波导，如图3（g）所示。
3.平面光波导的应用
铌酸锂晶体具有良好的电光特性，在电光调制器中应用广泛。
InP材料既可以制作光有源器件又可以制作光无源器件，被视为光有源/无源器件集成的最好平台。
SOI材料在MEMS器件中应用广泛，是光波导与MEMS混合集成的优良平台。
聚合物波导的热光系数是SiO2的32倍，应用在需要热光调制的动态器件中，可以大大降低器件功耗。
玻璃波导具有最低
的传输损耗和与光纤的耦合损耗，而且成本低廉，是目前商用光分路器的主要材料。
二氧化硅光波导具有良好的光学、电学、机械性能和热稳定性，被认为是无源光集成最有实用前景的技术途径。