光波导技术
任课教授：刘德明
（光电子工程系）
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
n
1
n
2
n
3
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
纤芯
包层
涂覆层
护套层
à 强度元件
内护层
光纤
à 缆芯
外护层
单模,8 ~10mm
多模,50mm
125mm
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（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,Photon Integrated Circuit
? OEIC,Optoelectronic Integrated Circuit
? MCVD,Modified chemical vapor deposit
? MOCVD,Metal Oxide chemical vapour deposit
? MBE,Molecular Beam Epitaxy
? LPE,Liquid Phase Epitaxy
? PCVD,Plasmon chemical vapour deposit
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
AON
DWDM
OADM
OTDM
FTTC,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
“光谷”：信息产业新的经
济增长点
– 许其贞委员于 2000年 3月在全国政协会议提
案：建立“武汉 ?中国光谷”
– 美国 1998年 5月以亚利桑那大学为中心建立
了“美国光谷”
– 法国 1999年以 Alcatel为依托建立法国光谷
– 广东省将建立“广东光谷”
– 长春建设“长春光谷”
– 北京、重庆、上海、合肥都在建光谷。
“武汉 ?中国光谷”
– 国家科技部批准的两个“光谷”之一
– 国家计委批准的唯一一个“光谷”
– 规范名称,武汉光电子及生物技术产业基地
武汉光电子产业化基地
– 光电子技术,信息光电子、能量光电子
消费光电子、软件产业
– 生物技术,生物医药、生物材料
生物农药、生物克隆
建设规划
– 面积,50平方公里
– 地域,东至外环线、南至汤逊湖北岸
西至珞狮路、北至东湖南岸
– 特征,三湖（东湖、南湖、汤逊湖）
六山（珞枷山、南望山、伏虎山
喻家山、马鞍山、九峰山）
– 区划,科研区、商贸区、居住区、管理区
– 人口,40-60万
– 经济,750亿元（光电子 600亿、生物 150亿）
软件产业
? CAD/CAM/CAPP/CIMS
? GPS/GIS/RS
? 信息安全技术软件
? 地理信息系统与数字城市
? 管理信息系统
? 网络教育软件
消费光电子
? 光存储
? 光传感
? 光显示
? 数码相机
? 新型光源
能量光电子
? 工业激光设备
? 激光材料处理
? 激光医疗设备
? 激光元器件
? 激光测量仪器
信息光电子
? 光纤光缆
? 光通信器件与光集成
? 光通信系统设备
? IP网络及设备
? 移动通信系统及设备
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
?,Optical Waveguide Theory” Snyder A W, Love J,
?“Understand fiber-optical communication”
研究方法
几何光学方法 波动光学方法 本地平面波方法
适用条件 ? ?? ? ?d ? ?? ?d
研究对象 光线 模式 波矢
基本方程 射线方程 波导场方程
研究方法 折射 / 反射定理 边值问题 谐振条件
主要特点 约束光线 模式 分立的波矢
分析思路
麦克斯韦方程
0
0
/
/
???
???
????
???
B
D
tBE
tDH
?
?
??
??
??
??
分离变量
? 电矢量与磁矢量分离, 可得到只与电场强
度 E(x,y,z,t)有关的方程式及只与磁场强
度 H(x,y,z,t)有关的方程式；
? 时、空坐标分离, 亥姆霍兹方程，是关于
E(x,y,z)和 H(x,y,z)的方程式；
? 空间坐标纵、横分离,波导场方程，是
关于 E(x,y)和 H(x,y)的方程式；
? 边界条件,在两种介质交界面上电磁场
矢量的 E(x,y)和 H(x,y)切向分量要连续。
波导场方程
? ? ???c2＝ w2em-b2＝ n2 k02-b2
b?n(r)k0cosqz
? 波导场方程,是波动光学方法的最基本方
程。它是一个典型的本征方程,其本征值为
c或 β。当给定波导的边界条件时,求解波导
场方程可得本征解及相应的本征值。通常
将本征解定义为“模式”,
0
),(
),(
),(
),( 22 ?
?
?
?
?
?
?
??
?
?
?
?
?
?
yxH
yxE
yxH
yxE
t ?
?
?
?
c
模式的基本特征
----每一个模式对应于沿光波导轴向传播
的一种电磁波 ;
----每一个模式对应于某一本征值并满足
全部边界条件 ;
----模式具有确定的相速群速和横场分布,
----模式是波导结构的固有电磁共振属性
的表征。 给定的波导中能够存在的模式
及其性质是已确定了的,外界激励源只能
激励起光波导中允许存在的模式而不会
改变模式的固有性质。
模式场分量与纵横关系式
模式的场矢量 E(x,y)和 H(x,y)具有六个场
分量,Ex,Ey,Ez和 Hx,Hy,Hz(或 Er,Eφ、
Ez和 Hr,Hφ,Hz)。只有当这六个场分量全部
求出方可认为模式的场分布唯一确定。
但实际上这并不必要。因为场的横向分
量可由纵向分量 Ez和 Hz来表示,
（见（ 1.2.25） -（ 1.2.32）式）
模式命名
? 根据场的纵向分量 Ez和 Hz的存在与否,可
将模式命名为,
(1)横电磁模 (TEM),Ez＝ Hz＝ 0;
(2)横电模 (TE),Ez＝ 0,Hz≠0;
(3)横磁模 (TM),Ez≠0,Hz＝ 0;
(4)混杂模 (HE或 EH):Ez≠0,Hz≠0。
? 光纤中存在的模式多数为 HE(EH)模,有时
也出现 TE(TM)模。
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
射线方程
)()( rndSrdndSd ?
?
??
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。
)()( rndzrdndzd ?
?
??
反射型
折射型
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
q
z
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,
212221 2/)( nnn ???
??
?
?
???
arn
arnrn
2
1 0)(
2221s i n nnn ii ??q
????? 2s i n 12221 nnnnNA imi q
iq n1
n2
)/ar cco s ( 12 nnzc ?q
zcz qq ?
zcz qq ?
倾斜光线：均匀折射率分布
? 光线轨迹,
(螺旋折线 )
? 临界角,
? 三类光线,
– 约束光,
– 折射光,
– 隧道光,
12
12
/c o s
/s i n
nn
nn
zc
ic
?
?
q
q
?
?
?
?
?
??
??
ici
zcz
ici
zcz
qq
qq
qq
qq
0
0
?
?
q
qqq
c o s
si nsi nc o s
ar ic
zi
?
?
任课教授：刘德明
（光电子工程系）
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
n
1
n
2
n
3
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
纤芯
包层
涂覆层
护套层
à 强度元件
内护层
光纤
à 缆芯
外护层
单模,8 ~10mm
多模,50mm
125mm
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（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,Photon Integrated Circuit
? OEIC,Optoelectronic Integrated Circuit
? MCVD,Modified chemical vapor deposit
? MOCVD,Metal Oxide chemical vapour deposit
? MBE,Molecular Beam Epitaxy
? LPE,Liquid Phase Epitaxy
? PCVD,Plasmon chemical vapour deposit
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
AON
DWDM
OADM
OTDM
FTTC,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
“光谷”：信息产业新的经
济增长点
– 许其贞委员于 2000年 3月在全国政协会议提
案：建立“武汉 ?中国光谷”
– 美国 1998年 5月以亚利桑那大学为中心建立
了“美国光谷”
– 法国 1999年以 Alcatel为依托建立法国光谷
– 广东省将建立“广东光谷”
– 长春建设“长春光谷”
– 北京、重庆、上海、合肥都在建光谷。
“武汉 ?中国光谷”
– 国家科技部批准的两个“光谷”之一
– 国家计委批准的唯一一个“光谷”
– 规范名称,武汉光电子及生物技术产业基地
武汉光电子产业化基地
– 光电子技术,信息光电子、能量光电子
消费光电子、软件产业
– 生物技术,生物医药、生物材料
生物农药、生物克隆
建设规划
– 面积,50平方公里
– 地域,东至外环线、南至汤逊湖北岸
西至珞狮路、北至东湖南岸
– 特征,三湖（东湖、南湖、汤逊湖）
六山（珞枷山、南望山、伏虎山
喻家山、马鞍山、九峰山）
– 区划,科研区、商贸区、居住区、管理区
– 人口,40-60万
– 经济,750亿元（光电子 600亿、生物 150亿）
软件产业
? CAD/CAM/CAPP/CIMS
? GPS/GIS/RS
? 信息安全技术软件
? 地理信息系统与数字城市
? 管理信息系统
? 网络教育软件
消费光电子
? 光存储
? 光传感
? 光显示
? 数码相机
? 新型光源
能量光电子
? 工业激光设备
? 激光材料处理
? 激光医疗设备
? 激光元器件
? 激光测量仪器
信息光电子
? 光纤光缆
? 光通信器件与光集成
? 光通信系统设备
? IP网络及设备
? 移动通信系统及设备
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
?,Optical Waveguide Theory” Snyder A W, Love J,
?“Understand fiber-optical communication”
研究方法
几何光学方法 波动光学方法 本地平面波方法
适用条件 ? ?? ? ?d ? ?? ?d
研究对象 光线 模式 波矢
基本方程 射线方程 波导场方程
研究方法 折射 / 反射定理 边值问题 谐振条件
主要特点 约束光线 模式 分立的波矢
分析思路
麦克斯韦方程
0
0
/
/
???
???
????
???
B
D
tBE
tDH
?
?
??
??
??
??
分离变量
? 电矢量与磁矢量分离, 可得到只与电场强
度 E(x,y,z,t)有关的方程式及只与磁场强
度 H(x,y,z,t)有关的方程式；
? 时、空坐标分离, 亥姆霍兹方程，是关于
E(x,y,z)和 H(x,y,z)的方程式；
? 空间坐标纵、横分离,波导场方程，是
关于 E(x,y)和 H(x,y)的方程式；
? 边界条件,在两种介质交界面上电磁场
矢量的 E(x,y)和 H(x,y)切向分量要连续。
波导场方程
? ? ???c2＝ w2em-b2＝ n2 k02-b2
b?n(r)k0cosqz
? 波导场方程,是波动光学方法的最基本方
程。它是一个典型的本征方程,其本征值为
c或 β。当给定波导的边界条件时,求解波导
场方程可得本征解及相应的本征值。通常
将本征解定义为“模式”,
0
),(
),(
),(
),( 22 ?
?
?
?
?
?
?
??
?
?
?
?
?
?
yxH
yxE
yxH
yxE
t ?
?
?
?
c
模式的基本特征
----每一个模式对应于沿光波导轴向传播
的一种电磁波 ;
----每一个模式对应于某一本征值并满足
全部边界条件 ;
----模式具有确定的相速群速和横场分布,
----模式是波导结构的固有电磁共振属性
的表征。 给定的波导中能够存在的模式
及其性质是已确定了的,外界激励源只能
激励起光波导中允许存在的模式而不会
改变模式的固有性质。
模式场分量与纵横关系式
模式的场矢量 E(x,y)和 H(x,y)具有六个场
分量,Ex,Ey,Ez和 Hx,Hy,Hz(或 Er,Eφ、
Ez和 Hr,Hφ,Hz)。只有当这六个场分量全部
求出方可认为模式的场分布唯一确定。
但实际上这并不必要。因为场的横向分
量可由纵向分量 Ez和 Hz来表示,
（见（ 1.2.25） -（ 1.2.32）式）
模式命名
? 根据场的纵向分量 Ez和 Hz的存在与否,可
将模式命名为,
(1)横电磁模 (TEM),Ez＝ Hz＝ 0;
(2)横电模 (TE),Ez＝ 0,Hz≠0;
(3)横磁模 (TM),Ez≠0,Hz＝ 0;
(4)混杂模 (HE或 EH):Ez≠0,Hz≠0。
? 光纤中存在的模式多数为 HE(EH)模,有时
也出现 TE(TM)模。
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
射线方程
)()( rndSrdndSd ?
?
??
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。
)()( rndzrdndzd ?
?
??
反射型
折射型
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
q
z
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,
212221 2/)( nnn ???
??
?
?
???
arn
arnrn
2
1 0)(
2221s i n nnn ii ??q
????? 2s i n 12221 nnnnNA imi q
iq n1
n2
)/ar cco s ( 12 nnzc ?q
zcz qq ?
zcz qq ?
倾斜光线：均匀折射率分布
? 光线轨迹,
(螺旋折线 )
? 临界角,
? 三类光线,
– 约束光,
– 折射光,
– 隧道光,
12
12
/c o s
/s i n
nn
nn
zc
ic
?
?
q
q
?
?
?
?
?
??
??
ici
zcz
ici
zcz
0
0
?
?
q
qqq
c o s
si nsi nc o s
ar ic
zi
?
?
