模式理论新应用 @2007OE
@2009 OSA A
芯的排列/数量组合
Tomáš Čižmár and Kishan Dholakia Optics Express, Vol. 19, Issue 20, p p. 18871-18884 (2011)
“光纤之父”----高锟博士 2009 诺贝尔 奖获得者
∗ 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. ∗ 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 全部辐射能量的总和
导波光学是研究波长范围大体为0.1～10µm的电 磁波在各种波导结构中传播特性的科学
光纤是信息时代的基础
∗ 美研制出硒化锌光纤 可使军用激光雷 达效率更高。 ∗ 硒化锌光纤却可以传送波长为15微米的 光 ∗ /2011/0301 /14847.html
光纤激光器
激光攻击导弹
天文观测 基准星
微纳光纤
∗ 寂寞了二十多年的“集成光学 集成光学”的概念重又受到人 集成光学 们的关注，并发展成为“集成光子学”和“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。值得注意的是，这里 的“集成”主要是指各种功能的集成，而不是像集 成电路那样强调单位面积内的元件数。 ∗ Kaminow I. P. Optical Integrated Circuits: A Personal Perspective.[J]. Lightwave Technology, Journal of, 2008, 26(9): 994-1004.
1962 半导体激光器诞生(GaAs 870nm) 半导体激光器诞生(GaAs 70 年代室温工作LD 年代室温工作LD (GaAsAI 850nm) 1300、 1300、1550nm 多模LD 多模LD 单模LD 单模LD
1970 康宁制出低损耗光纤 (20dB/km) 1300(0.5dB/km),1550nm(0.2dB/km) 低损耗窗口光纤开发 单模光纤
125µm 125µ 245~250µm
外护层
À强 度 元 件
内护层 光纤 À缆 芯
光纤波导的进一步分类
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SMF；多模光波导MMF
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（光纤）：
保偏(单偏振)光纤PMF；有源光纤；晶体光纤PCF 零/非零色散位移光纤DSF；负色散光纤DCF； 特殊涂层光纤；耐辐射光纤；发光光纤
光波导技术的迅猛发展4
∗ 在光通信中，随着点到点传输中通信容量和传输距离 的不断升级以及光纤网络的发展，对光信号的各种处 理（开关、调制、合波、分波、滤波、整形、交换等 等）日益重要。各种应用对于器件灵活性、功能性、 集成性和成本等方面的要求越来越苛刻，促进了器件 工作原理和技术指标的多样化，是近年来有关领域研 发工作的特点。
光波导理论
任课教师：宁提纲 光波技术研究所 全光网络与现代通信教育部重点实验 室 TEL：84020 /84013 手机1368 155 7378 E-mail: tgning@
参考书目
光波导理论，吴重庆，清华大学出版社， 光波导理论，吴重庆，清华大学出版社，2000； ；
《导波光学》范崇澄、彭吉虎； 《介质光波导理论》D. Marcuse, 刘弘度译 “Optical Waveguide Theory” Snyder A W ，Love J. Understanding Optical Communications Harry J. R. Dutton 1998 【有电子版】 FiberFiber-Optic Communication Systems Third Edition. G. P. Agrawal 2002 【有电子版】 非线性光纤光学原理及其应用 电子工业出版社 2010 路玉春 博士学位论文
∗ “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
n3 n1 n2
矩形波导
脊型波导
沟道波导
平面掩埋沟道波导
园柱波导: 园柱波导:光导纤维
纤芯 包层 涂覆层 护套层
单模：8 ~10µm 多模：50µ 多模：50µm 62.5μ 62.5μm
主要学术期刊
∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ 1. Journal of Lightwave Technology 2. Journal of Optical Society of America 3. IEEE Photonics Technology Letters 4. IEEE Journal of Quantum Electronics 5. Optics Letters (*) 6. Optics Communications 7. Electrons Letters 8. 光学学报 9.中国激光 10.电子学报 11、Optics Express (*)
主要网站
∗ OETECH版 ∗/ 光纤在 线 ∗/optoc hina/
考试方式
∗闭卷，平时+考试 ∗考试题型：填空+问答+计算
绪论
“导光”的古老历史
中国古代烽火台 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；
波导技术的迅猛发展5-RoF
∗ ROF (Radio over Fiber)为4G通信、最后1 km出力 ∗ GPRS、GPS 满足real-time、seamless和continous 通信，而电二次差拍技术的毫米波 光子发生器及下行光载无线系统
Li Jing, Ning Tigang, Pei Li, Qi Chunhui.
对称/ 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
导波模&辐射模
∗ 在与该截面垂直的纵向上，波导无限延伸；折 射率分布只是横向坐标的函数，且除考虑光波 导的激励问题外，一般可以忽略“源”的影响。 ∗ 在这些光波导中，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
德国科学家让一根光纤的数 据传输速度达到每秒26T， 相当于700张DVD
∗ /2011/0524/16896.html
光波导技术的迅猛发展3
∗ 调制速率还远未用到光纤的低损耗带宽（1.3~1.7μm, 或 5X1013Hz）。80年代中期EDFA和以此为基础的密集波分复用 技术的出现以及光纤本身和相关器件与技术的改善，商用系 统中已能通过一根光纤中的多个波长传输高达40Tb/s以上的 数据率，实验室报道更是其十倍以上，对信息社会的基础设 施建设发挥着极为重要的作用。 ∗ 随着信号功率和数据率的增加，光波导（主要是光纤）中的 色散和非线性效应变得十分严重，通过新型光纤（包括消除 光纤和色散补偿光纤）的研制和系统中各类光纤的安排（色 散补偿色散和管理），对其限制和利用成为近十年来重要的 研究和应用课题。在新型光纤方面，新近出现的光子晶体光 纤虽然目前尚处于基本研究阶段，但却引起了广泛的注意和 兴趣：其色散和非线性系数近于零，其折射率可以小于空气 甚至是负值。显然，它能带来的潜在好处是十分巨大的。
Intel研究人员日前研制出世界上最快的硅基光学调制器
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多核光互连
Intel 50Gbps）的速度移动数据
硅光子学的通信领域应用取得里 程碑式进展， 程碑式进展，证实未来电脑可用 光束代替电子信号传输数据。英 光束代替电子信号传输数据。 特尔实现了世界上首个端至端硅 光子连接， 光子连接，这将对电脑设计产生 革命性影响， 革命性影响，极大地提高电脑性 能和节约能源
光波导技术的迅猛发展2
∗ 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。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100Mb/s 提升至 10Gb/s->40Gb/s （ 趋 向 于 电 路 速 度 的 瓶 颈 ） >400Gb/s，并从实验室研究迅速变为具有巨大社 会经济效益的产业
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, ∗带有包层的石英光学纤维 ∗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
光源：太阳光 介质:空气 信号：语音
光纤通信器件的发展过程
光波导技术的迅猛发展
1970年,康宁玻璃公司(Corning Glass Co）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；【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】 经过近30年的发展，光纤的损耗已经降至 0.17dB/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，形成一个年产值几千亿美元 的巨大市场。