光波技术基础
光波技术基础part3
t Ez ie z Et j 0 Ht
t H z ie z Ht jEt
2 t
k2 2
Ez 0
2 t
k2 2
Hz 0
2 t
k2 2
Et 0
2 t
k2 2
k E0 k H0 0 E、H、k相互正交
电磁场的能量密度和能流密度
时变电磁场中的一个重要现象： 电场能量密度随电场强度变化，磁场能量密度随磁场强度变化 空间各点的能量密度变化引起能量流动！
坡印亭(Poyting)矢量P=E×H
E H H E E H
对于TM模：Hz＝0，Ey=Hx=0, 仅有Ex, Ez 和Hy三个场分量,
表示为（Ex,0,Ez,0,Hy,0)
TE模
1、TE模的解
Ey是TE模电场仅有的分量 Ex, y, z Ey x, ye jz
代入波动方程,有
d 2Ey dx2
k02n
2 j
2
Ey
0, j 1,2,3
ε (r)：张量介电常数 (r)：张量磁导率
1
n E1H1B1D1
2
E2H2B2D2
波动方程－E,H诸量随时、空的变化关系 ：磁导率，真空磁导率0
只考虑线性的、各向同性的、透明媒质、非时变的：
ε：介电常数=真空介电常数*相 对介电常数
各向同性介质：D 0E P E B H 透明：无自由电荷、无磁性： f=0， Jf=0， μ＝ μ0
Er,t Ercost ReErexp jt Hr,t Hrcost ReHrexp jt
2019年北京邮电大学本科教材目录
袁建国 罗元
胡先志 胡佳 妮
李维民
曾军 王峰 陈 仑 王朝晖 焦斌 亮 徐朝鹏 赵东风 彭家 和 丁洪伟
张民
刘文林 李梅 李洪
王仕璠
2017.11 2011.04 2015.08 2015.08 2013.02 2012.09 2011.11 2008.11 2013.03
91
9787563534203 信息光学理论与应用习题详解
85
9787563544264 光网络管理与维护
86
9787563536269 光学系统设计教程
87
9787563532056 SDH光传输技术与设备
88
9787563527595 光波导理论简明教程
89
9787563518678 组网工程
90
9787563534197 信息光学理论与应用（第3版）
22.00
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29.00
“十一五 高等教育本科国
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34.00
32.00
32.00
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38.00
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65
9787563523047 通信线路工程
66
9787563524136 信息与通信系统仿真
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18.00
22.00
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“十一五”普通 高等教育本科国
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“十一五”普通 高等教育本科国
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第二章光学基础知识与光场传播规律
方法和步骤
电场 E是矢量，可将其分解为一对正交的电场分量，一个振动方向垂直
于入射面，称为‘s’分量，另外一个振动方向在或者说平行于入射面， 称为‘p’分量。
首先研究入射波仅含‘s’分量和仅含‘p’分量这两种特殊情况。当两种分量 同时存在时，则只要分别先计算由单个分量成分的折射、反射电场； 然后根据矢量叠加原理进行矢量相加即可得到结果。
n1 cost n1 cost
tan(i tan(i
t ) t )
sin 2i sin 2i
sin 22 sin 22
tp
Et0 p Ei 0 p
2n1 cosi n2 cosi n1 cost
2cosi sint sin(i t )cos(i
t )
11/40
《光电子技术》● 第二章 光学基础知识与光场传播规律
菲涅耳公式
再利用E、H 的数值关系及其正交性关系，得到：
rp
Er0 p Ei 0 p
n2 cosi n2 cosi
n1 cost n1 cost
p分量的反射系数
菲 涅
tp
Et0 p Ei 0 p
2n1 cosi n2 cosi n1 cost
p分量的透射系数
耳
公 式
rs
Er 0 s Ei 0s
n1 cosi n1 cosi
n2 cost n2 cost
sin(i sin(i
t ) t )
tani tani
tant tant
ts
Er 0 s Ei 0s
2n1 cosi n1 cosi n2 cost
2cosi sint sin(i t )
光波技术基础_第七讲
0 1 NL E 0 r NL E ~ ~ ~ n j 2k0 2 得：
1
~
n2
对于石英光纤， n2 310 m / W ，而α2相对较小，常被忽略 为研究方便，介电常数又常表示为：
非线性传输方程 非线性
当光场较强时，所有介质均对外场表现出一定的非线性。 微观——电子在强场作用下对简谐运动的偏离 宏观——介质在外场作用下的非线性极化
电极化强度矢量
P 0 1 E 2 : EE 3 EEE
极化强度 真空介电常数 极化率张量
2 2
NL L, T Leff A0, T Leff A02 U 0, T P 0, T Leff LNL
~
2 LNL 1 A0 1 P 非线性长度：是距离z的归一化量 其中: 0 度，在分析光纤非线性效应随距离变化时极为方便 P0--光强度脉冲峰值
色散对XPM的影响
只有不同的波长信道的脉冲在时间上有交叠时，相互之 间才存在XPM效应，由于色散的存在，具有不同中心 波长的两个脉冲传输速度不同，形成走离现象，因此色 散对XPM有影响。 脉冲宽度 走离长度： T T
Lw
0
11 12
2
2 (1 2 )
脉冲的中心 频率
~ U 0, T P 0, T
2
归一化光强度脉冲
P0
•有效长度：
P(0)
Leff 1 exp L
L L--实际传输距离 有效长度可由式
P0Leff Pz dz
L 0
大学物理(波动光学知识点总结)
大学物理(波动光学知识点总结)contents•波动光学基本概念与原理•干涉理论与应用目录•衍射理论与应用•偏振光理论与应用•现代光学技术发展动态简介波动光学基本概念与原理01光波是一种电磁波，具有横波性质，其振动方向与传播方向垂直。
描述光波的物理量包括振幅、频率、波长、波速等，其中波长和频率决定了光的颜色。
光波的传播遵循波动方程，可以通过解波动方程得到光波在不同介质中的传播规律。
光波性质及描述方法干涉现象是指两列或多列光波在空间某些区域相遇时，相互叠加产生加强或减弱的现象。
产生干涉的条件包括：两列光波的频率相同、振动方向相同、相位差恒定。
常见的干涉现象有双缝干涉、薄膜干涉等，可以通过干涉条纹的形状和间距等信息来推断光源和介质的性质。
干涉现象及其条件衍射现象及其分类衍射现象是指光波在传播过程中遇到障碍物或小孔时，偏离直线传播的现象。
衍射现象可以分为菲涅尔衍射和夫琅禾费衍射两种类型，其中菲涅尔衍射适用于障碍物尺寸与波长相当或更小的情况，而夫琅禾费衍射适用于障碍物尺寸远大于波长的情况。
常见的衍射现象有单缝衍射、圆孔衍射等，可以通过衍射图案的形状和强度分布等信息来研究光波的传播规律和介质的性质。
偏振现象与双折射偏振现象是指光波在传播过程中，振动方向受到限制的现象。
根据振动方向的不同，光波可以分为横波和纵波两种类型，其中只有横波才能发生偏振现象。
双折射现象是指某些晶体在特定方向上对光波产生不同的折射率，使得入射光波被分解成两束振动方向相互垂直的偏振光的现象。
这种现象在光学器件如偏振片、偏振棱镜等中有重要应用。
通过研究偏振现象和双折射现象，可以深入了解光与物质相互作用的基本规律，以及开发新型光学器件和技术的可能性。
干涉理论与应用02杨氏双缝干涉实验原理及结果分析实验原理杨氏双缝干涉实验是基于光的波动性，通过双缝产生的相干光波在空间叠加形成明暗相间的干涉条纹。
结果分析实验结果表明，光波通过双缝后会在屏幕上产生明暗相间的干涉条纹，条纹间距与光波长、双缝间距及屏幕到双缝的距离有关。
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。
光波导技术基础
光波导技术基础（实用版）目录1.光波导技术的基本概念2.光波导技术的理论基础3.光波导技术的应用领域4.光波导技术的发展趋势正文光波导技术基础光波导技术是一种利用光在介质中传播的特性，通过特定的光学结构实现光信号的传输和控制的技术。
光波导技术在现代通信、光学传感、光学显示等领域具有广泛的应用。
为了更好地了解光波导技术，我们需要从以下几个方面介绍其基础知识。
一、光波导技术的基本概念光波导是指一种能够约束和引导光波在特定方向传播的光学结构。
根据波导结构和传输模式的不同，光波导可分为多种类型，如单模光纤、多模光纤、平面光波导等。
光波导技术的核心是利用光在介质中的传播特性，实现光信号的高效传输和精确控制。
二、光波导技术的理论基础光波导技术的理论基础主要包括几何光学、波动光学和电磁场理论。
其中，几何光学主要研究光波在光学结构中的传播规律；波动光学则关注光的传播特性，如相位、幅度等；电磁场理论则从电磁场的角度分析光波导中的光信号传输。
通过这些理论，我们可以深入理解光波导的传输特性、模式耦合、双折射现象等基本概念。
三、光波导技术的应用领域光波导技术在多个领域发挥着重要作用，主要包括以下应用领域：1.光通信：光波导技术是光纤通信的核心技术，实现了光信号在光纤中的高效传输，极大地提高了通信速率和传输距离。
2.光传感：光波导技术在光学传感器中有着广泛应用，如光纤传感器、平面光波导传感器等，可实现对温度、压力、位移等物理量的高精度检测。
3.光学显示：光波导技术在光学显示领域也具有重要应用，如光波导显示器、光波导投影仪等，能够实现高清晰度、高亮度的显示效果。
4.其他领域：光波导技术还在光学成像、光能传输、生物医学等领域具有潜在应用。
四、光波导技术的发展趋势随着科技的不断发展，光波导技术在理论研究和应用领域都取得了显著进展。
未来，光波导技术的发展趋势主要体现在以下几个方面：1.更高效的光波导传输技术：通过优化波导结构、提高材料性能等手段，进一步提高光波导的传输效率和带宽。
激光的原理及技术基础
激光技术的发展趋势
高效化
提高激光器的输出功率 和能量转换效率，以满
足各种应用需求。
微型化
减小激光器的体积和重 量，使其更加便携和易
于集成。
智能化
结合人工智能和机器学 习技术，实现激光器的
智能控制和优化。
多波段化
开发多波段激光器，以 满足不同应用领域的特
殊需求。
未来激光技术的应用前景
01
02
03
04
在激光中，受激辐射通过共振腔的作 用得到放大，使得某一特定波长的光 得到增强，最终形成激光。
激光器的基本组成
激光器由工作物质、共振腔和泵浦源三部分组成。工作物质 是产生激光的物质，共振腔是维持和放大激光的装置，泵浦 源则提供能量使工作物质发生受激辐射。
通过调整共振腔的反射镜间距和角度，可以控制激光的波长 、模式和输出功率等参数。同时，通过改变泵浦源的功率， 可以调节激光的输出功率和模式。
激光武器
激光雷达侦查
利用高能激光束对目标进行打击，具有快速、 灵活、低成本等优点，可应用于反导、反卫 星等领域。
利用激光雷达对敌方目标进行高精度侦查和 定位，获取情报信息，为军事行动提供决策 支持。
04 激光的特性与优势
激光的特性
单色性
方向性
激光的波长范围非常窄，因此具有极高的 单色性。这使得激光在光谱分析、干涉测 量等领域具有广泛的应用。
02 激光技术基础
激光调制技术
直接调制
通过改变注入电流的大小来改变 激光的输出功率，适用于低频信 号的调制。
外部调制
使用一个外部装置来改变激光的 参数，如偏振态或相位，适用于 高速信号的调制。
激光放大技术
半导体激光放大器
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光纤：新一代传输媒质
• 目前量产石英单模光纤的损耗已可降至 0.20dB/km(波长1.55μm)以下，实验室纪录更低 达0.151dB/km。
• 此外，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。
• 新型光纤：掺铒光纤、色散补偿光纤、光子晶 体光纤…
集成光子学/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
• 实现光信号的各种处理（开关、调制、 合波、分波、滤波、整形、交换等等）
光纤通信
• 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。
•从近代科技发展史来看，一个重要事件是： 1880年贝尔继发明电话之后又发明了“光话”： 以日光为光源、大气为传输媒质，在200m内实 现了语音信号的传递。
贝尔电话系统
在这里，将弧光灯的恒定光束投射在话筒的音膜上， 随声音的振动而得到强弱变化的反射光束，这个过程 就是调制。
✓贝尔本人认为这是他一生中最重要发明，但由于可靠 的高强度光源和稳定的低损耗传输媒质均未解决而一 直未能实用
理论 • § 3-3光导纤维的场解 • § 3-4 光纤的模式理论 • § 3-5 单模光纤
• 第四章 导波光束的调制 • § 4-1 光波调制的一般概念 • § 4-2 晶体的电-光特性 • § 4-3 光波导的电-光调制 • § 4-4 定向耦合型调制器/开关 • 第五章 光波导中的传输损耗 • §5-1 损耗起因和损耗谱 • §5-2 本征吸收及瑞利散射损耗 • §5-3 杂质吸收 • §5-4 弯曲损耗 • §5-5 弯曲过渡损耗 • §5-6 连接损耗 • 第六章 信号沿线性光波导传输时的畸变 • §6-1 脉冲沿线性光波导传输时畸变的起
• 康宁玻璃公司1970年首先研制出衰耗 20dB/km的光纤。光纤通信正式开始！
低损耗的基本思想
• （1）用纯石英为主体材料并掺杂氧化物等以 形成所需的折射率分布
• （2）采用气相沉积技术作为基本工艺，直到 今天仍是各种制造光纤方法（如改进的化学气 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等）的核心。
•
1966 年 ， 高 锟 (C.K.Kao) 和 霍 克 哈 姆
(C.A.Hockham) 发 表 了 关 于 传 输 介 质 新 概 念 的 论 文
《用于光频的光纤表面波导》, 指明通过“原材料的
提纯制造出适合于长距离通信使用的低损耗光纤”
这一发展方向, 奠定了现代光通信——光纤通信的基
础。
Байду номын сангаас
1970年，光纤诞生！！
利用光进行通信的困难在于:
• 没有合适的光源，一般光源方向性和相 干性太差，类似于噪声，无法调制
• 没有合适的传输介质，由于光频极高， 透过障碍的能力很差。（必须通过低损 耗介质波导传输）
1960年梅曼发明了红宝石激光器
红宝石激光器[美国梅曼(Maiman)，1960]
激光器亮度高、谱线窄、方向性好，它的发 明和应用， 使沉睡了80年的光通信进入一个崭 新的阶段。
一、历史与现状
导波光学是研究波长范围大体为10-1～10μm的电 磁波在各种波导结构中传播特性的科学。
频率，Hz
101 102 103 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015
ELF VF VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF
传输介质问题：
• 利用玻璃中的全反射原理传光早已为人熟知，并已 经用来在短距离（米级）内传光
• 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
• 但直到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
导波光学
听说过吗？躺在床上能和外教一对一练英语口语！适合职场中的你！ 免费体验史上最牛英语口语学习，太平洋英语
区域光纤与新型光通信系统国家重点实验室
教学大纲
主要内容（根据需要有所取舍）：
总学时：54 授课方式：讲课+自学
• 第一章 光导波理论的一般问题 • § 1-1 历史与现状 • § 1-2 导波光学的基本问题 • § 1-3光导波理论的基本研究方法 • 第二章 几何光学方法 • § 2-1射 线 方 程 • § 2-2一维限制光波导中的光线 • § 2-3二维限制光波导中的光线 • 第三章 波动光学方法 • § 3-1 基本方程 • § 3-2 平面及条型光波导场解与模式
频段 电力、电话 划分
传 输 介 质
无线电、电视
微波
AM无线电 FM无线电 卫星/微波 同轴电缆 双铰线
红外 可见光
光纤
光纤
107 106 105 104 103 102 101 100 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6
自由空间波长，m
•利 用光传递信息的历史至少可以追溯到我国古 代的烽火台
• 由于没有找到稳定可靠和低损耗的传输介质， 对 光通信的研究曾一度走入了低潮。
光纤的诞生
• 在似乎毫无希望的局面下，高锟等在 1996年发表了一篇被后来的历史证明为 具有划时代意的论文③，提出利用带有 包层材料的石英玻璃光学纤维，其损耗 可能低于20dB/km，从而可以用作通信媒 质。
高锟（左）1998年在英国 接受IEE授予的奖章
因及描述方法 • §6-2光纤的色散及其对系统的影响 • §6-3 光纤非线性及其对系统的影响
参考资料
➢ 《光波导理论与技术》李玉权等 人民邮电出版社 ➢ 《导波光学》 范崇澄 北京理工大学出版社 ➢ 《非线性光纤光学》，G. P. Agrawal,天津大学出
版社，
第一章： 光导波理论的一般问题