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1、导波光学,上海交通大学电子信息与电气工程学院区域光纤与新型光通信系统国家重点实验室,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,教学大纲,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
2、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,总学时：54 授课方式：讲课+自学,主要内容（根据需要有所取舍）：,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.Agrawa
3、l,天津大学出版社，,第一章：光导波理论的一般问题,一、历史与现状,101,107,102,106,103,105,104,104,105,103,106,102,107,101,108,100,109,10-1,1010,10-2,1011,10-3,1012,10-4,1013,10-5,1014,10-6,1015,ELF,VF,VLF,LF,MF,HF,VHF,UHF,SHF,EHF,自由空间波长，m,频率，Hz,电力、电话,无线电、电视,微波,红外,可见光,双铰线,同轴电缆,光纤,卫星/微波,AM无线电,FM无线电,频段划分,传输介质,光纤,导波光学是研究波长范围大体为10-110m
4、的电磁波在各种波导结构中传播特性的科学。,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,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
5、的能力很差。（必须通过低损耗介质波导传输）,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。,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,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1m的光子（其能量为hv=6.62510-3431014210-19J）,在其始端应输入的能
6、量为21081J,这将远远超过太阳系形成以来其全部辐射能量的总和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，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。,1966年，高锟(C.K.Kao)和霍克哈姆()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。,高锟（左）1998年在英国接受IEE授予的奖章,197
7、0年，光纤诞生！,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。前者保证了优良的物理化学性能，而后者使工艺方法极为灵活并有助于材料的“自提纯”，保证了低损耗,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1.55m)以下，实验室纪录更低达0.151dB/km。此外，石英基光
8、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。随着光源、调制、接收、中继、耦合、光纤的熔接与活动连接等单元技术的发展，使光纤通信受到了空前的重视，单信道的调制速率由107b/s 提升至1011b/s，并从实验室研究迅速变为具有巨大社会
9、经济效益的产业。光纤、集成光子学和集成光电子学是现代光纤通信的基础,光纤传感,环境因素的变化对光波导中光的传输特性（光强、相位）。从70年代后导波光学器件在信号获取方面的功能也日益受人们的重视，目前已制成对压力、应力、应变、位移、速度、加速度、转动、液位、流速、流量、温度、电压、电流、电场、磁场、伽玛射线以及化学成分等数十个物理的光波导（主要是光纤）传感装置，其中有些人已转入商品生产。由于信息的获取在现代社会中日益增长的重要性，这方面的研究开发工作也是导波光学应用的热点之一。,八十年代以来出版的部分参考书,光波导基本理论与计算：1.A.J.Adams,An Introduction to Op
10、tical Waveguides,John Wiley and Sons,New York,1981.2.A.W.Snyder and J.D.Love,Optical Waveguide Theory,Chapman and Hall,London,1983.3.H.A.Haus,Waves and Fields in Optoelectronics,Prentice Hall,1984.4.T.Tamir,Guided-Wave Optoelectronics,2nd Ed.,Springer-Verlag,1990.6.K.Okamoto,Fundamentals of Optical
11、Waveguides,Academic Press,San Diego,2000.7.K.Kawano and T.Kitoh,Introduction to Optical Waveguide Analysis,John Wiley&Sons,New York,2001.光纤非线性:1.G.P.Agrawal,Nonlinear Fiber Optics(3rd Ed.),Academic Press,San Diego,2001.2G.P.Agrawal,Applications of Nonlinear Fiber Optics,Academic Press,San Diego,2001
12、.光纤通信系统:1.T.Li(Ed.),Topics in Lightwave Transmission Systems,Academic Press,San Diego,1992.2.L.Kazovsky,S.Bennedetto and A.Willner,Optical Fiber Communication Systems,Artech House,1996.3.I.P.Kaminow and T.L.Koch(Ed.),Optical Fiber Telecommunications(III A,B),Academic Press,San Diego,1997.4.I.P.Kamin
13、ow and T.Y.Li(Ed.),Optical Fiber Telecommunications(IV A,B),Academic Press,San Diego,2002.5.杨祥林，光纤通信系统，国防工业出版社，北京，2000.掺铒光纤放大器:1.E.Desurvire,Erbium-doped Fiber Amplifiers-Princples and Applications,John Wiley and Sons,New York,1994.2.P.C.Becker,N.A.Olsson and J.R.Simpson,Erbium-doped Fiber Amplifier
14、s-Fundamantals and Technology,Academic Press,San Diego,1999.,主要学术期刊,1.Journal of Lightwave Technology 2.IEEE Photonics Technology Letters 3.IEEE Journal of Quantum Electronics 4.Optics Letters 5.Optics Communications 6.Electrons Letters 7.电子学报 8.中国激光 9.光学学报,二、光波导,基本结构与模式,在与截面垂直的纵向上，波导无限延伸；折射率分布只是横向坐
15、标的函数,在光波导中，如果光在横向受到充分的约束而没有辐射或泄漏，就可能沿实现远距离传输。这种情况称为导波模；反之，光在横向上如果有辐射，则称为辐射模折射率定则：在柱型光波导结构中，光在横方向 上总是趋于集中在折射率最大或波相速最慢的区域中，沿纵向传播,类型,最简单的光波导在横向上只有一维限制，称平面光波导或薄膜光波导。为了对光实现有效的导引，横向应有二维限制，对应于各种条形光波导和光纤。光波导中的折射率横向分布，可以是阶跃型的（称阶跃光波导），也可以是渐变型的（称渐变光波导）。为使光脉冲在传播过程中由于色散引起的变形小，光波导的折射率差别一般都不大，在10-210-3 量级。这一点对于简化分
16、析十分有利。,最大量使用的光波导是光纤。除“芯区”和“包层区”外，还有各种防护涂层和护套，用以 保护表面并大大改善光纤的机械性能,三、光波导理论的基本问题,象任何一种导波结构一样，研究光波导也包括下列基本问题:1.光场沿光波导横截面的分布规律；2.光场沿光波导纵向的传播规律；对于每一个导波模式而言，以上两项一一对应：3.光波导受到扰动时，模式间的耦合；4.信号沿光波导传播时的衰减；5.信号沿光波导传播时的畸变；6.光纤中的非线性效应；7.光场偏振态沿光波导的演化规律；8.有源光纤；9.光波导的激励。在此基础上还面临“综合”问题，即如何设计光波导或相关器件，使之满足给定性能。,四、基本研究方法之
17、一：几何光学方法,当光波波长远小于光波导的横向尺寸时,可以近似认为0,从而忽略表征光的波动性的衍射现象,获得发散角为零的光锥-光线。因此，称为光线（几何）光学方法。光线可以表示光的传播方向和强度，但不能考虑场的相位和振动方向（偏振态）以及由此导致的各种现象。几何光学方法的主要特点是：（1）光线的入射角只要能形成完全内反射，即可得到约束光，故其入射角可在一定范围内连续变化；（2）约束光在横向上完全限制在芯区或散焦面以内，其外的光场完全被忽略。这与0 的前提是一致的。,五、基本研究方法之二：波动光学方法,严格说来，前述光波导的诸基本问题应该用电磁场方法求解。写出电磁场应满足的波动方程和横向边界条件
18、，从而解出场的横向分布（本征函数）和纵向传播常数（本征值）。每组解对应于一个模式，因此亦称为模式场方法。,特点,除严格性以外，还在于：（1）模式场的纵向传播规律（本征值）与其横向分布规律（本征函数）互相联系。对于无横向辐射的导波模，意味着纵向传输与横向谐振完全对应故其本征值只能在一定范围内取有限个分立值。本方法中的导波模与几何光学方法中的约束光相比，当波导中的导波模式数很多（通常有数十至数百个以上，称为多模光波导）时，各模式传播常数相差极小；0时导波模个数趋于无限多，本征值的分立谱趋于连续谱，说明几何光学方法是波动光学方法的零波长近似。换言之，在处理多模光波导时，两种方法所得结果相当一致。（2
19、）既使对于没有横向辐射的导波模，在全反射面以外也存在电磁场。这与几何光学中约束光只存在于全反射面以内的结论不同。从物理上进一步考察，全反射面以内的电磁场分布必须满足横向谐振条件（完全内反射应使相位关系满足叠加条件），故其沿横向变化必为振荡形（类似于某种驻波）；其外的电磁场分布由于受到无横向辐射及无穷远为零的限制，一定是某种类似于负指数型的衰减场。波长越短，其横向衰减率将越大；当0时，全反射面以外的场可以忽略，再一说明几何光学方法是波动光学方法的零波长近似，注意：由于某一确定的导波模式的电磁场是一个统一整体，故在全反射面内、外的场具有相同的纵向传播规律,适用领域,上述两特点对应于波动光学方法的两
20、个独特领域，或应用几何光学方法的两个主要限制。它们是：（1）当光波导中存在一个或少数几个导波模时，传播常数的分立特性表现得极为明显，用几何光学方法将导致极大误差。换言之，必须用波动光学方法处理单模（或少模）光波导（2）由于几何光学方法完全忽略了约束光在全反射面以外的存在，不能用以直接处理诸如包层材料引起的损耗、光波导之间的能量耦合以及光纤中稳态分布的建立过程等各种与全反射面以外的电磁场有关的问题。这时必须应用波动光学方法，或（在多模光波导情况下）对几何光学方法加以修正,求解方法,电磁场处理方法虽然严格，但不幸的是：除了很少几种折射率分布规律之外，波动方程常常不能得到严格的解析解。这时通常需用以
21、下两类方法：（1）数值解。可以适用于各种实际的折射率分布。主要问题是在解的精度、方法的收敛性等方面不易做出确切的判断。（2）近似解析解。最重要的近似是弱导近似：芯区和包层区折射率的总差别不大。折射率差别的存在引起了完全内反射和光的受导传播；但由于折射率差别不大，入射光必然基本上与轴线平行，场的轴向分量极弱，可近似看成TEM波。这使许多处理大为简化。在弱导前提下分析光波导时，还可以用某一已知解析函数去等效一个实际光波导中，某一特定模式的场分布(如用高斯函数近似等效圆截面光纤中的基模场)，或者用有已知解析解的光波波导去等效一个实际光波导中的多个模式(如用阶跃折射率分布光纤近似等效折射率分布更为复杂的光纤)等,
