介质光波导
平面介质光波导的种类和特点
平面介质光波导的种类和特点以下是一些常见的平面介质光波导种类及其特点：1. 矩形光波导（Rectangular waveguide）：矩形光波导采用矩形截面的波导，通常由单一的光波导层构成。
特点是易于制作和集成，适用于大部分光学器件。
2. 溢射光波导（Guided-mode Leaky-waveguide）：溢射光波导多数由一层光波导层和一层辅助层构成。
特点是能够在光波导层中引导光波传输，同时也可以将一部分光波耦合到相邻的层中。
这种结构可用于光波导模式的选择和滤波。
3. 双折射光波导（Birefringent waveguide）：由于材料的晶格结构和各向异性，双折射光波导可以引导两种不同极化方向的光波。
这种结构常用于光波导偏振分束器和偏振模式控制器中。
4. 超材料光波导（Metamaterial waveguide）：超材料光波导采用元胞尺寸远小于波长的结构单元构成，从而显示出不同于自然材料的电磁特性。
这种光波导结构可以引导超深的光波和具有负折射率的光波。
5. 混凝土模光波导（Guided-mode Resonance waveguide）：混凝土模光波导可以通过改变薄膜层的折射率分布实现波导中的光波共振。
这种结构可以用于光波分布、滤波和耦合等应用。
6. 纳米光波导（Nanowire waveguide）：纳米光波导采用纳米尺寸的薄膜或纳米线构建，由于尺寸的减小，光波可以在纳米光波导中实现超高场增强和高度限域的光子模式。
这种结构在纳米光子学和量子光学中有着潜在的应用价值。
1.低损耗：与其他波导结构相比，平面介质光波导的传输损耗较低，使得它适用于长距离的光通信和光网络应用。
2.高集成度：平面介质光波导可以与其他的光学器件和电子器件集成在一起，实现高度紧凑的光学和电子系统。
3.自由分级：平面介质光波导材料和结构可以优化和设计，以满足不同波长或特定频率范围的光波导模式。
4.灵活可调：平面介质光波导的传输模式和传输性质可以通过改变薄膜材料、层厚、折射率和电场结构等参数进行调整。
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。
光波在介质波导中的传播
c m0
由此可见，高阶模的临界波长更小些。对传输工作波长的几 种情况讨论如下： （1） （2）c
c m0 , 此光波大于0阶的临界波长，此波不能在波导内传播。
此时只有 m 0 的零阶模可以传输，即单 , c m1 m0
模运行。 （3） c 这样的光波对 m 及 m 0 阶模均可被传输，发生 , m
上只有磁场分量。而TM波的H矢量在波导的横截面上，在传播方向上
只有电场分量。
TE波(a)和TM波(b)的形成
可以认为，薄膜中的TE波是由垂直偏振的平面波即S波在薄膜边 界上反射而成，而TM波是由E为水平偏振（在入射面内振动）的平面 波即P波在边界上反射而成。 对于TE波，其电场只有Ey分量(Ez=0)，磁场包括了Hx、Hz分量。 而TM波其磁场只有Hy分量(Hz=0)，而电场包括了Ex、Ez分量。 可以由时谐电磁场的麦克斯韦第一、二方程讨 论
对P波
sin i (n3 / n1 ) n1 tan 2 cos i n3
P
2
22 Leabharlann / 2sin i (n2 / n1 ) n1 tan 2 cos i n2
P
2
2
2 1/ 2
多模传输。
还需指出，对于对称薄膜波导 n2 n3 , 可以得到， c
这时特征方程变成
m0
,
这说明对称波导没有截止波长，任何波长的波均可在对称波导内传播。
2
2
0
2h
2 h n12 n2 2m
由此可算出对波长为 0 的光波，该波导内所允许传播的模式个数为
m
0
波导光学圆柱形介质光波导的基本解
间有确定关系：
k02n2 2 kc2
k
2 0
n
2
k
2 c
2
U 2 W 2 k02n12 2 a2 2 k02n22 a2 k02a2 n12 - n22
U、W与波导参数V（结构参数）三者之间有确定关系：
U 2 W 2 k02n12 2 a2 2 k02n22 a2 k02a2 n12 - n22
则纵向分量改写成：
Ez1
J
A
m U
J
m
U a
r sin
me jz
（4.10a）
Ez2
A
Km W
Km
W a
r sin
me jz
（4.10b）
H z1
J
B
m U
J
m
U a
r cos me jz
（4.10c）
Hz2
B
Km W
Km
W a
r cos me jz
（4.10d）
A=0 B0
TE模
引入两个参数：
无量纲化
▪ U kca ——表示纤芯内场沿半径a方向分布规律 kc ——纤芯内横向传播常数
U 2 k02n12 - 2 a2 0
▪ W aca ——表示包层内场沿半径a方向衰减程度
ac ——包层内横向衰减系数
W 2 2 - k02n22 a2 0
表示轴向相位常数，与波矢量k0和横向传播常数kc之
方程的左边：
r d r dRr
dr dr
kc2 r 2
m2
Rr 0
令：X = kc r ，表示成贝塞尔方程形式：
d 2R dX 2
1 X
光波导原理及器件简介
包层n 2 芯区n 1 图1. 三层平面介质波导 图2. 矩形波导 图3. 圆光波导图4. 椭圆光波导光波导原理及器件简介摘要：20世纪60年代激光器的出现，导致了半导体电子学、导波光学、非线性光学等一系列新学科的涌现。
20世纪70年代，由于半导体激光器和光纤技术的重要突破，导致了以光导纤维通信、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技术的蓬勃发展，而导波光学理论是光通信技术的基础，同时也是集成光学、光纤传感等学科的基础。
本文简述了光波导的原理，并着重介绍光波导开关。
关键词：光波导，波导光学，平面光波导，光波导开光1.引言1.1光波导的概念波导光学是一门研究光波导中光传输特性及其应用的学科。
以光的电磁理论和介质光学特性的理论为基础，研究光波导的传光理论、调制技术及光波导器件的制作与应用技术。
导波光学系统是由光源、光波导器件、耦合器、光调制器及光探测器等组成的光路系统。
光波导是将光波限制在特定介质内部或其表面附近进行传输的导光通道。
简单的说就是约束光波传输的媒介，又称介质光波导。
介质光波导的三要素是：“芯/包”结构，凸形折射率分布（n1>n2），低传输损耗。
光波导常用材料有：LiNbO3、Si 基（SiO2、SOI ）、Ⅲ-Ⅴ族半导体、聚合物等。
1.2光波导的分类按几何结构分类，光波导可分为：平面（平板）介质波导，矩形（条形）介质波导，圆和非圆介质波导。
按波导折射率在空间的分布分类，光波导可分为：非线性光波导（n=n(x,y,z,E)），线性光波导（n=n(x,y,z)）。
线性光波导又可分为：纵向均匀（正规）光波导（n=n(x,y)），纵向均匀（正规）光波导（n=n(x,y)）。
2.光波导的原理简介一种为大家所熟知的介质光波导就是通常具有圆形截面的光导纤维，简称为光纤。
然而，集成光学所注重的光波导往往是平面薄膜所构成的平板波导和条形波导，这里，我只讨论平面光波导。
最简单的平板波导由三层材料所构成，中间一层是折射率为 n1的波导薄膜，它沉积在折射率为 n2的基底上，薄膜上面是折射率为 n3的覆盖层，一般都为空气。
电信传输原理及应用第四章 介质光波导理论_平面光波导
第4章 介质光波导理论
本征值方程
边界条件：TE模式: Ey,Hz在上下界面连续； TM模式: Hy,Ez在上下界面连续。 本征值方程：
第4章 介质光波导理论
第4章 介质光波导理论
第4章 介质光波导理论
第4章 介质光波导理论
场分布特点
禁区： 导模：
β>n1k0 n1k0> β> n2k0
χ21>0,传播场; χ22, χ20<0，消逝场 衬底辐射模: n1k0> β> n3k0 χ23<0,消逝场; χ22, χ20>0,传播场 辐射模： n3k0> β> 0 χ21, χ22 ,χ20 > 0,传播场
第4章 介质光波导理论
第4章 介质光波导理论
平面光波导中的波动法分析
波导场方程：
∂ Ey
2
∂x
2 j
2
+ χ Ey = 0
2 j 2 0 2 j 2
χ =k n −β
场分量：TE模式: Ey,Hx,Hz: (2-2-1)-(2-2-3)
TM模式: Hy,Ex,Ez: (2-2-4)-(2-2-6)
第4章 介质光波导理论
第4章 介质光波导理论
几何光学分析
光线轨迹：锯齿形折线 约束光线条件： 上界面全反射： θ10>θc10=arcsin(n0/n1) 下界面全反射： θ12>θc12=arcsin(n2/n1) 相位匹配：上下两次反射经 历相移为2π整数倍
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
光电子介质光波导中的色散
§2.2 介质光波导中的色散一、)(~λωβ或关系由特征方程可以看出，当给定波导参数和工作波长时，模阶数m 越大则θ1越小，因而传输常数β越小。
在所有导模中，最低阶模TE 0、TM 0的β值最大。
对于给定的模式，β值是随角频率ω（或工作波长λ）而变化的，即)(sin 01ωβθβm m m k n ==。
ω越小，k 0越小，θm 越小，因而β也越小。
所以，特征方程实际给出了β与ω（或λ）的关系，因此，称为色散方程。
下图给出了几个较低阶模式的ω-β曲线。
波导中模式的群速度βωd d v g = 上图中任一点ω处的斜率βωd d 即是群速度。
对于所有的波导模式，βωd d 只能在c/n 1和c/n 2内取值，因此在色散图中，所有可能的传输模式都应在c/n 1和 c/n 2形成的包络中。
c/n 1对应于090=θ，01k n =β；c/n 2对应于截止条件， c θθ=，02k n =β。
当光频率一定时，不同模式的光群速度不同。
当模式一定时，不同光频率的光群速度不同。
二、模式色散（intermodal dispersion ）当波导中能够传输多个模式时，低阶模与高阶模的群速度不同。
最低阶模的群速度最小，接近于c/n 1，最高阶模的群速度最大。
这是因为高阶模渗透到包层中的能量较多，而包层的折射率小，因此传输快。
此现象称为模式色散（或模间色散）。
长距离传输时，将导致输出端的信号脉冲展宽。
脉冲展宽的大小取决于各个模式在波导中传输的时间差τ∆。
设传输距离为L ，模式色散量定义为g m a n g v L v L-∆m i n ＝τv gmin 是最慢模式的群速度，v gman 是最快模式的群速度。
估算：由上图，v gmin ≈ c/n 1，v gmax 不超过c/n 2，近似得传输单位长度的色散量 cn n L 21-≈∆τ n 1= 1.48, n 2= 1.46,km ns m s L /67/107.611=⨯≈∆-τ。
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1 c
时，
~ r
n2 cos 1 i sin 1 n 1
2
2
式中
n2 cos 1 i sin 1 n 1
2
2 2
2
exp( i 2 )
arctan
sin 1 n2 n1 cos 1
// arctan
sin 2 1 n2 n1
2
n2
n1 cos 1
2
下面我们分析合成场的性质。
4.1.2 光密媒质中的波场——导波
* R R r r 1 ， // 光密媒质：反射波在界面发生相位突变，光强反射率
光密媒质中的场由入射波和反射波叠加而成。入射波电矢量垂直入射面时：
1965年，美国的Anderson开始用光刻方法制作光波导，
此后各国开始了各种功能光波导器件的研制。
光波导技术基础
学习重点： 平面波导：结构最为简单、直观与精练，便于建立清晰概念 光 纤：应用最广光波导，并且是典型的柱面结构。 电磁场分布特性： 芯区：集中 衬底与覆盖层：紧贴着芯区，沿芯区底外法线方向场指数衰减。 条件： 光波导：无源、无荷、线性、均匀、各向同性、不导电、无损介质界面 入射光：均匀平面波 过程：全反射 结果：沿界面方向传播的非均匀平面波： 光密介质中，波场沿界面法向按驻波分布——导引波 光疏介质中，波场沿界面法向按指数衰减分布——消逝波
第4章 光波导技术基础
主要内容
4.1平面介质光波导中的光传播与导引波、消逝波、 波导 4.2平面介质光波导中光导模的几何光学分析 4.3平面介质光波导中光导波的物理光学分析 4.4 光纤——圆柱介质光波导 4.5 光纤中光导波的线光学分析 4.6 阶跃光纤中导波的物理光学分析 4.7光纤色散与脉冲展宽
合成波电场
i t z E1 y r , t E y r , t E r , t 2 A cos hx e y
同理可得合成磁场：
H 1x r , t
2 A sin 1
1
coshx e i t z sin hx e i t z
c
n1 k 0 n1 ， k 0 n1 sin 1
称为纵向传播常数；
h k0 n1 cos1 ，称为横向传播常数
又由于
E y Ey
~ r expi 2
于是有
4.1.2 光密媒质中的波场——导波
E y r , t E y exp i exp it hx z A exp it hx z E y r , t E y exp i exp i t hx z A exp i t hx z
E y (r , t ) 入射电场：
反射电场： E y (r , t ) 式中 k1
E y exp i(t k1 r ) E y exp i(t k1 x cos 1 k1 z sin 1 )
' E exp i ( t k y 1 r ) E y exp i (t k1 x cos 1 k1 z sin 1 )
平板与条形光波导： 光学系统小型化、集成化、固体化需求的产物。 起源：1910年，德国的Hondros和Debye进行的电介质棒的研究。
1962年：美国的Yariv从p-n结中观测到平板层中的光波导现象，
1963年，Nelson等人发现了光波导电光调制现象， 1964年，Osterberg 与Smith开始光波导耦合实验。
n2 cos 1 n1 cos 2 r// n2 cos 1 n1 cos 2
r：振幅反射系数，角标“⊥”和“∥”分别表示电矢量垂直和平行于入射面。
4.1.1 光在介质界面的传播特性
n1 n2
且 1
c
时，产生全反射，其中：
n2 c arcsin n1
当
光波导技术基础
光源-------接收器，桥梁: 光波导. 光路要求 :衰减尽可能小+尽可能不失真地传输光。 介质光波导: 将光限制在一定路径中向前传播，减小光耗散，便于光的调制、 耦合等，为光学系统的固体化、小型化、集成化打下了基础
传统光学传输介质: 空气 ，+透镜、棱镜、光栅等光学元件构成光路 长距离传输：存在水吸收、微粒散射，光学元件菲涅尔反射等，无实用价值。 气体透镜：将圆管中充满清洁的空气，四周加热，调整气体流速以保持层流， 用气体温差构成气体透镜，使通过的光向中心汇聚，不致耗散，但难实现。
4.1平面介质光波导中的光传播与导引波、消逝波、波导
4.1.1 光在介质界面的传播特性
电磁波通过两种介质界面——反射和折射： 方向：
1 1'
n1 sin 1 n2 sin 2
反射波振幅：菲涅尔(Fresnel)公式：
n1 cos 1 n2 cos 2 r n1 cos 1 n2做到很小， 分类：平面（薄膜）介质波导、条形介质波导和圆柱形介质波导。
光波导技术基础
光纤： 阶跃折射率光纤： 原理：1854年，英国的Tyndall 石英光纤应用专利： 1927年，英国的Baird与美国的Hansell申请。 玻璃光纤注光：1930年，德国人 细束光纤设计：1958年，美国的Kapany 第二吸收鞘引入：1958年，美国光学公司，为减少光纤包层杂散光； 光纤激光器：1961年，美国的Snitzer研制。 渐变折射率光纤 专利：1963年，日本的西呎等人申请 产品：1968年，日本玻璃板公司研制。 1970年，美国Corning公司研制出20dB/km的低损耗光纤，开始光纤通信 产业化。