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1、光波导技术任课教授：刘德明（光电子工程系）§1.1绪论“导光”的古老历史“光纤之父”----高锟博士光纤技术的迅猛发展光波导的基本概念光波导的分类广阔的应用领域“导光”的古老历史1854年：英国的廷达尔(Tyndall)就观察到光在水与空气分界面上作全反射以致光随水流而弯曲的现象；1929-1930年：美国的哈纳尔(Hanael)和德国的拉姆(Lamm)先后拉制出石英光纤并用于光线和图象的短距离传输；中国古代烽火台“光纤之父”----高锟博士1966年：高锟博士发表他的著名论文“光频介质纤维表面波导”首次明确提出
2、,通过改进制备工艺,减少原材料杂质,可使石英光纤的损耗大大下降,并有可能拉制出损耗低于20dB/km的光纤,从而使光纤可用于通信之中。光波导技术的迅猛发展1970年,康宁玻璃公司(CorningGlssCo）率先研制成功损耗为20dB/km的石英光纤,取得了重要的技术突破；经过近30年的发展，光纤的损耗已经降至0.2dB/km(单模光纤）；各种光波导器件在光纤系统中获得广泛应用，构筑所谓的“信息高速公路”，相关的应用产业日新月异地蓬勃发展，涉及的部门包括邮电、电子、电力、化工以及机械等行业，形成一个年产值1000
3、多亿美元的巨大市场。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矩形波导脊型波导沟道波导平面掩埋沟道波导园柱波导:光导纤维单模：8~10mm多模：50mm125mm光波导的进一步分类按折射率分布：均匀折射率分布光波导；渐变折射率分布光波导按传播模式：单模光波导；多模光波导按材料：石英、塑料与红外光波导、III-V族材料光波导特种光波导（
4、光纤）：保偏(单偏振)光纤；有源光纤；晶体光纤零/非零色散位移光纤；负色散光纤；特殊涂层光纤；耐辐射光纤；发光光纤对称/非对称波导对称波导：芯区周围的介质折射率相同非对称波导：芯区周围的介质折射率不同集成光学导波光学：研究波导的导波特性集成光路:功能元件集成PIC:PhotonIntegratedCircuitOEIC:OptoelectronicIntegratedCircuitMCVD:ModifiedchemicalvapordepositMOCVD:ModifiedoutsideCVDMBE:Molecu
5、larBeamEpitaxyLPE:LiquidPhaseEpitaxy光波导技术的广阔应用领域光波导技术有源无源器件光纤通信干线光交换接入网AONDWDMOADMOTDMFTTC,B,O,H位移、振动温度、压力应变、应力电流、电压电场、磁场流量、浓度可以测量70多个物理化学量广告显示牌激光手术刀仪表照明工艺装饰电力输送光纤面板医用内窥镜潜望镜光子集成光电子集成集成光路光收发模块光接入模块光开关模块光放大模块信息获取信息传输信息处理其它应用课程内容光波如何进入光波导？（模式的激励）光波在光波导中如何传播？(模式分
6、布)光波导的基本特征参数及测试技术光波导耦合技术光波导有源与无源器件光波导中的非线性效应光波导传感技术光波导集成技术参考书目《导波光学》范崇澄、彭吉虎《光纤光学》刘德明、向清、黄德修《光纤技术及其应用》刘德明、向清、黄德修《介质光波导理论》D.Marcuse,刘弘度译“OpticalWaveguideTheory”SnyderAW，LoveJ.研究方法§1-2几何光学方法射线方程光线分类光线轨迹：子午光线光线轨迹：倾斜光线射线路径参数射线方程物理意义：将光线轨迹(由r描述)和空间折射率分布(n)联系起来;由光线方
7、程可以直接求出光线轨迹表达式;dr/dS是光线切向斜率,对于均匀波导，n为常数,光线以直线形式传播;对于渐变波导,n是r的函数,则dr/dS为一变量,这表明光线将发生弯曲。而且可以证明,光线总是向折射率高的区域弯曲。典型光线传播轨迹光线分类子午光线：限制在子午平面内传播的光线与光轴相交倾斜光线：轨迹曲线不限制在一个平面内不过光轴子午平面子午光线：均匀折射率分布折射率分布:光线轨迹:限制在子午平面内传播的锯齿形折线。光纤端面投影线是过园心交于纤壁的直线。导光条件:临界角:数值孔径:定义光纤数值孔径NA为入射媒质折射
8、率与最大入射角的正弦值之积,即相对折射率差:约束光折射光:n1n2渐变折射率分布：光线轨迹:限制在子午平面内传播的周期曲线。轨迹曲线在光纤端面投影线仍是过园心的直线，但一般不与纤壁相交。广义折射定律:局部数值孔径:定义局部数值孔径NA(r)为入射点媒质折射率与该点最大入射角的正弦值之积,即外散焦面:光线转折点(rip)的集合导光条件:子午光线：渐变折射率分布广义折射率定理
