光波导理论和技术
光波导理论及技术
—Acquisition, Tracking, Pointing ），跟踪精度小 于2微弧度，瞄准精度小于1微弧度。ห้องสมุดไป่ตู้
自由空间激光通信
相控阵激光雷达
• 激光跟踪测距雷达、激光成 像雷达、激光合成孔径雷达-----
• 相控阵激光雷达通过对激光 束的相位控制和波束合成技 术，实现波束功率增强和电 扫描；
光是电磁波
• 电磁波的范围：1026Hz------10Hz • 可见光波长：400nm~700nm • 无线电波长：10-4 m~106m
光的传播
自由空间光（free space wave）：在均匀介质中传播的光 。 如由透镜、棱镜等各种光学元件组成的常见的光学仪器设备， 自由空间激光通信，激光雷达，光束变换， ……
单模光纤结构捕陷（ n1=1.4544, n2=1.45, 2a=8m, and 2b=125m. ）光源为He-Ne 激光（ =632.8nm ）。当粒子 接近光纤顶端时，它将被光纤顶端的近场成梯度变化的力 捕获。
• SNOM聚苯乙烯胶体微粒( 约2μm)排成“光”字形图案 • STM 单原子操纵将36 个钴原子排成了椭圆形的量子围栏
光波导理论与技术
自动化测试与控制系
2006年春
参考教材
1. 微波与光电子学中的电磁理论（第二版），张克潜、 李德杰 著，2001年5月，电子工业出版社，研究生教 学用书，教育部研究生工作办公室推荐
2. 光波导理论与技术， 李玉权 崔敏 编著， 人民邮电 出版社，2002年12月第一版
3. 光波工程，[日本]国分泰雄 著，（先进光电子技术 丛书），科学出版社，2002年
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
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
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。
光波导理论
1.2.1 集成光学系统与离散光学器件(qìjiàn)系统的比较
? (1)光波在光波导中传播，光波容易控制(kòngzhì)和保持其能量。
? (2)集成化带来的稳固(wěngù)定位。
? (3) 器件尺寸和相互作用长度缩短；相关的电子器件的工作电
压也较低。
? (4) 功率密度高。沿波导传输的光被限制在狭小的局部空间，
平板波导几何光学分析 2012 年2月
集成光学(guāngxué)主要应—用—（光三纤）传感
? 光纤传感器具有抗电磁干扰和原子(yuánzǐ)辐射、重量轻、
体积小、绝缘(juéyuán)、耐高温、耐腐蚀等众多优异的性
能，能够对应变、压力、温度、振动、声场、折
射率、加速度、电压、气体等各种参数进行精确
多样，研究开发中
第二十页，共40页。
平板波基导本几平何光面学工分艺析 ，已2成012熟年2月
§1.3 集成光学(guāngxué)的发展和现状
1.3.1 发展(fāzhǎn)简史
1962 年开发(kāifā)出了第一个半导体同质结激光二极管，但其效率
较低，阈值电流较大，不能在室温下连续工作。
1967 年异质结外延生长技术的出现，拉开了半导体激光器实 用化的序幕 。
器、窄带响应集成光电探测器、路由选择
的波长变换器、快速响应光开关矩阵、低 损耗多址波导分束器等。
第十二页，共40页。平板波Leabharlann 几何光学分析2012 年2月
集成光学主要(zhǔyào)应用—（—二光）子(guāngzǐ)
? 光子(guāngzǐ)计算机：
光子计算机是一种全新的计算机，是以光子作为主要的信息载
导致较高的功率密度，容易达到必要的器件工作阈值和利用非
光波导基础及其常用器
在C点上两光线的电场为
E 1(y,z,t)E 0co ts (m zm y m ) E 2(y,z,t)E 0co ts (m zm y)
那么在C点上两光线干涉所形成的电场为
E (y ,z ,t) 2 E 0 co m y s 1 2 ( m )co t sm z ()
对应一个m值的传播模的电场可以写为,
E (y ,z ,t) 2 E m (y )co t sm z ) (
可以看到传播模横向模场分布不随光波的传播而改变,它是在横向形成的驻波
对称的平面波导－传播模
Symmetry Planar Dielectric Slab Waveguide
m=0,1,2传播模的横向分布
对称的平面波导－传播模
k1sinm
k1cosm
考虑两光线,它们相交于C点,而在C点相位差可以表示为,
m ( k 1 A m C ) k 1 A 'C 2 k 1 ( a y ) cm o m s
对称的平面波导－传播模
Symmetry Planar Dielectric Slab Waveguide
将波导条件代入上式得到,
Ey E(x)exip z)(
2 [ x2
k02n2(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 )
对于应波导的三个折射率不同的区域,方程的解为
<8-2>
<8-3> <8-4> <8-5>
Ey A 2e A 1e xix pk0 2 p n [1 2 2[ k 0 22 nx2 2]x ] B2 B e 1exx i pp k [0 2n [21 2 k 0 2n 22 2 xx ]] ,x a , xaa
简明光波导模式理论
简明光波导模式理论光波导模式理论是光学领域中的重要理论之一，它主要研究光在波导结构中的传播模式和特性。
在本文中，我们将简要介绍光波导模式理论的基本概念、原理、种类和特点，以及在光电子学、光通信等领域的应用，并分析其优缺点及改进方向。
1、光波导模式理论的基本概念和原理光波导模式理论主要研究光在波导结构中的传播模式和特性。
波导结构是指能够约束和引导光波传播的介质层或光纤。
根据麦克斯韦方程组和波动光学理论，光波导模式理论可描述为在波导结构中传播的光波的电磁场分布和传播常数之间的关系。
在光波导中，光波的电磁场分布在横向和纵向两个方向上，因此光波导模式理论包括横向模态和纵向模态。
横向模态是指光波在波导结构横截面上的场分布，它包括多种模式，如基模、高阶模、辐射模等。
纵向模态是指光波在波导结构长度方向上的场分布，它描述了光波的传播行为，包括相速度、群速度、衰减等参数。
2、光波导模式的种类和特点根据光波在波导结构中的传播特性和横向模态，光波导模式可分为多种类型。
其中，常见的类型包括：(1)基模（Fundamental Mode）：基模是波导结构中最基本的横向模态，它的场分布具有对称性，并且在横向方向上具有最小的光强分布。
基模的传播常数较小，具有最小的衰减系数。
(2)高阶模（Higher-order Mode）：高阶模是波导结构中除基模以外的其他模态，它的场分布具有非对称性，并且在横向方向上具有较大的光强分布。
高阶模的传播常数较大，具有较大的衰减系数。
(3)辐射模（Radiation Mode）：辐射模是波导结构中不限制光波传播的模态，它的场分布不受波导结构的限制，并且可以向外部辐射能量。
辐射模的传播常数最小，衰减系数也最小。
3、光波导模式在光电子学、光通信等领域的应用光波导模式理论在光电子学、光通信等领域具有广泛的应用价值。
例如，在光电子器件方面，光波导模式理论可用于分析器件的性能和使用条件。
在光纤通信方面，光波导模式理论可用于研究光的传输和信号处理。
- 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)。
TE0n、TM0n模的截止波长 EHmn 模的截止波长 HEmn 模的截止波长,m > 2 HEmn 模的截止波长,m = 1
c(TE0n ,TM 0n )2u0na(n12n2 2)1 2
2
各种传输线路的通信容量与中继距离
传输线路类型 最大通信容量（路）中继距离（km）
同轴电缆
3600
2.1
微波线路
3600
40
140Mbit/s光纤链路
1920
100
2.5Gbit/s光纤链路 1.6Tbit/s光纤链路
30240
50~60 50~60
3
§1.3 光通信关键技术
1.3.1 光纤 主要考虑光纤4个主要的传输特性:损耗、 色散、非线性、双折射。
5
14.930692 16.47063 17.95982 14.40942
16
定义另一个重要的特征参量,V,
称为光纤的归§一5化.2频阶率，跃是光纤的严格解---矢量模解
一个无量纲的参数。
当W2＝0时,相应的 U 记为 Uc，V 记为Vc， Vc称之为归一化截止频率。显然， 此时Uc ＝ Vc 且:
8
§5.1 光纤中的电磁场方程
如果求得z方向的分量, 其他各横向分量可以用z 分量 表示出来
式中kc、ω、β等与以前 的意义相同
与电磁学中公式完全相同γ=jβ
9
§5.2 阶跃光纤的严格解---矢量模解
5.2.1阶跃光纤中的电磁场解及导波模的截止参数
式中， 、 ：待定常数， ：m 阶第一类贝塞尔函数 ， ：m 阶第二类 变形贝塞尔函数。
1.3.2 光源和光发送端机 LD、光源调制技术、光端机。
1.3.3 光检测器和光接收端机 1.3.4 光电集成和光集成技术
4
电磁场理论基础
§2.1 电磁场基本方程
H J D t
E B t
B 0 D
J 0
t
J σE
Dε EP 0
B μ H M 0
P(1) E(2) :EE
18
5.2.2 对各种导波模的几何解释
§5.2 阶跃光纤的严格解---矢量模解
可以用射线理论和本地平面波理论解释,TE模和TM模由光纤中传播的子午光 线形成，混合模HE模和EH模则由偏斜光线形成，进一步，由于水平偏振的 子午光线形成TE模，而垂直偏振的子午光线则形成TM模。这是因为子午光 线的路径是平面折线，它们在分界面上反射时，横向场分量不改变方向。这 种情形见下图。偏斜光线的路径时空间折线，纤芯包层分界面上的不同反射 点的法线方向不相同，所以不管光线的初始偏振状态如何，都有可能产生z 方向的电场和磁场，故偏斜光线只能形成光纤中的混合模。
10
与电磁学中公式比较
（7. 6. 5） （7. 6. 6）
几个低阶第一类贝塞尔函数曲线
11
几个低阶第二类变形贝塞尔函数曲线
12
用纵向分量表示的其他分量
§5.2 阶跃光纤的严格解---矢量模解
13
利用边界条件
§5.2 阶跃光纤的严格解---矢量模解
得到特征方程:
对于实际使用的光纤可以引入弱导条件而得到简化的特征方程 弱导条件
Vc
2ca(n12
1
n22)2
这样,光纤中任意一个模式的传播条件是:
VVc
2ca(n12
1
n22)2
光纤中单模传播的条件是:
0V2.405
17
如果光纤参数已知,考虑对波长的要求，单模传播的条件还可以写为:
§5.2 阶跃光纤的严格解---矢量模解
或者已知波长参数和光纤折射率,考虑对光纤半径的要求，单模传播的条件 还可以写为:
可得介质的边界条件方程组，在处理实际问题时，
边界条件很有用。
法向边界条件
切向边界条件
n ( B 1 B 2 ) 0 ,n ( D 1 D 2 ) 0n ( Η 1 Η 2 ) 0 ,n ( E 1 E 2 ) 06
均匀介质且J=0, ρ=0, 可以得到齐 次达朗贝尔方程, 也叫波动方程
光纤中的电磁场方程
由时谐场 得到亥姆 霍兹方程
式中
,
折射率分布
7
光中的 做法一样，先求解z方向分量，然后再由麦克斯韦方程组求得其他分量
采用柱坐标,电磁 场写成分量式
采用柱坐标,z方向 的分量满足亥姆 霍兹方程
注意用到了缓变介质的条件,所以即使介质折射率是随坐标变化的，亥姆 霍兹方程的形式与均匀介质相同
简化的特征方程 上面这些公式与电磁场与电磁波中公式完全相同,求解很困难，一般用数值法， 如果只求各种模式的截止条件，只需令W2＝0，求解满足边界条件的U，则相 对简单一些.
14
当W2=0,对应包层中导波模和辐射模的转折点或临界点,可以在此条件下求解
纤芯内的归一化相位常数U。
§5.2 阶跃光纤的严格解---矢量模解
c(EH mn)2uman(n12n22)12 c(HE mn)u2m 2a,n(n12n22)12
c(HE 1n)u21,na1(n12n22)12
15
请注意,λc ( HE11)＝∞, 所以从理论上说，该模式可以传播任意低频的光。
上面这些式子中,uxy表示x阶贝塞尔函数的第y个零点，下面表5.1 是几个低阶 贝塞尔函数的零点位置。 HE11模对应 0 阶贝塞尔函数的第零个零点.
绪论
§1.1 单模光纤损耗谱示意图
1
§1.2 光纤网络的巨大传输带宽
通常认为带宽是载波频率的10%左右,以目前 光纤中传输的1.55µm光波为例,载波频率为:
f c1.535 110086200THz
带宽大约为20THz, 当然这只是说光纤有这么 大的带宽容量，实际上已经利用了多少带宽 是另一回事。例如1.6Tbit/s光纤链路大约可以 传输1930万路语音信道。
§m5.2 阶跃光纤的严格解---矢量模解
n
0
1
2
3
1
2.40483
3.83171
5.13562
6.38016
2
5.52008
7.01559
8.41724
9.76102
3
8.65373 10.17347 11.61984 13.01520
4
11.79153 12.32369 14.79596 16.22347
0
0
(3)EEE 0
M 0 , 0 , 0
文中褐色框为麦克斯韦方程组,绿色为本构关系， 红色为描写介质特性的方程，白色为电荷守恒定律
5
在各项同性线性介质中,并注意到与时间有关的 场函数可以写成以时间为变量的复数形式
H j E 0r
H 0
Ej H 0
0rE 0
在介质的边界上,利用积分形式的麦克斯韦方程组