导波光学-导波光学基础

lesson8Guided-wave

Optics导波光学

导波光学基础1.1

光波基本方程••••麦克斯韦方程物质方程波动方程电磁场边界条件

•

坡印亭矢量1.2

平面电磁波的反射与折射

1

t

D

J

2

H

t

D

3

B

0

4

导波光学基础1.1.1麦克斯韦方程

B

E

麦克斯韦方程的物理意义方程1:

变化的磁场产生电场;方程2:

变化的电场产生磁场;方程3:

电场是有源场;方程4:

磁场是无源场;0

0

B=

M

H+

E

J

H

B

E

D

,

,,

,

E

J

H

B

E

D

j

ij

i

j

ij

i

导波光学基础1.1.2

物质方程各向同性的介质各向异性的介质

i,

j

1,2,3

D

0E+P

E

矢量赫姆霍兹方程n0

-

E

0

k

E

E22

tc

H

0

k

H

Hn-

H

0

tc导波光学基础1.1.3

波动方程假设场中没有自由电荷和电流,

且介质为非磁性介质2

22

22

22

22

2

2

2

7

1

2

D

D

n

8

0

1

2

B

B

n

9

0

1

2

E

E

n

10

J

1

2

s

H

H

n

1.1.4

电磁场的边界条件

1.1.5

坡印亭矢量S

E

H光学中，坡印廷矢量的时间平均值是一个非

常重要的物理量，其大小等于光强的量度

，其方向代表光的传播方向。电磁场的能量定理:在电磁场中，单位时间内电磁能量的减小量等于场中所产生的焦耳热及通过表面流出的能量之和ni

cos

i

nt

cos

t

sin

t

i

sin

ni

i

t

t

t

i

cos

n

cos

nt

cos

i

ni

cos

t

tan

i

t

nt

i

i

t

t

i

tan

cos

n

cos

2ni

cos

i

2sin

t

cos

ini

i

t

t

t

i

sin

cos

n

cos

2nt

cos

i

sin2

int

i

i

t

t

i

i

t

sin

cos

cos

n

cos

1.2.2

菲涅耳公式反射和折射定律给出了入射波、反射波和折射波三者传播方

向之间的关系，而菲涅耳公式则给出了三者之间振幅和相

位的关系。TE波的菲涅耳公式r

t

where,ni

n1,nt

n2TM波的菲涅耳公式r

TM

tTM

where,ni

n1,nt

n222R=

rtn2

cos

t

n1cos

iT

R

T

11.2.3

布儒斯特角射向界面的一束光，反射光线与折射光线都是部分偏振光。当入射光

以一特殊角度射入时反射光是线偏振光，这个角叫作起偏角或者布儒斯特角，此时反射光线与折射光线互相垂直。布儒斯特角等于两种介质的折光率之比的反正切。设θ1为入射角，θ2为折射角。我们有如果反射角和折射角垂直，则：整理，得：其中n1和n2为该两种介质的折射率。导波光学Stanford

UniversityWashington

University3

导波光学的定义光在自由空间传播

球面波点光源6平面波H

ˆE

ˆ

k

ˆ

7

导波光学的定义光在自由空间传播

高斯光束束腰8电磁波中的“场”与“路”

>100电路~10-3微波波导(射频电路）~10-6光波导（光路）光在限制空间的传播——电磁理论

光波导14定义：研究光波在限制性空间（波导）中

光波传播特性的一门学科导波光学的理论基础和研究内容

理论基础：电磁波理论和普通物理中的光学知识主要内容：研究光波在波导中传输规律，如传播常数，模式，场分布，偏振、色散，吸收特性及其应用。光波携带的信息传输规律不属于本课程内容。以在线性空间，无损耗介质波导为主要研究对象。

17光波被限制在波导中传输光纤基本原理——利用光的全内反射

几何光学近似下

n2

n

1n2

1

Ray

Cycle11

1

n

low

nhigh

导模12辐射模波导大小与限制光斑大小Index

contrast

SOI,

n=2

W=H=5

mGlass,

n=0.022

(1.5%)

5

m

5

m

TE

/

TM

High

index

contrast

Small

core

dimensions

ETE

x1Core

sizeW=H=0.1

mW=H=1.5

mW=H=0.3

mETEETM

10

10W

H平面波导——最基本波导结构

模层方向包层n3芯层n1衬底n2

折射率

n1>

>n2,n3平面(平板）波导16

导波光学的发展概况和应用光波导概念——水管导光的现象贝尔“光通信”实验中，透镜波导波导概念在微波领域最早应用；现在意义上的光波导是在激光发明后的事；1961

年,

E.Snitze,

园截面介质光波导中场分布模式的理论和实验研究；1962年发明的p-n结半导体激光器，就是利用导波现象；1966年，光纤被提出可以作为光波导传输合适的介质；18

光的全反射应用——光导管

1870年，英国物理学家丁达尔观察到太阳光随着水流发生弯曲。

光纤的发明：

英国人卡帕尼博士将此用于实际，发明了玻璃光导纤维：芯层+包层

(n芯层>n包层)

–光纤

19

早期的光通信

1880年，贝尔发明了第一个光电话，可以说是现代光通信的开端。光波传播易受气候的影响20反射波导和透镜波导21

导波光学的发展概况现在意义上的光波导是在激光发明后的事；1961

年,

E.Snitze,

园截面介质光波导中场分布模式的理论和实验研究1962年发明的p-n结半导体激光器，就是利用导波现象；1966年，光纤被提出可以作为光波导传输合适的介质；（高锟——光纤之父）22

“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,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。

2009年诺贝尔物理奖

K.

C.

Kao,

G.

A.

Hockham

(1966),

"Dielectric-fibre

surface

waveguides

for

optical

frequencies”,

Proc.

IEEE

113

(7):

1151–1158.23The

Nobel

Prize

in

Physics

2009"for

the

invention

of

an

imagingsemiconductor

circuit

–

the

CCDsensor""for

groundbreakingachievements

concerning

thetransmission

of

light

in

fibersfor

optical

communication"

Charles

K.

KaoStandard

Telecommunication

LaboratoriesHarlow,

United

Kingdom;Chinese

University

of

Hong

KongHong

Kong,

ChinaWillard

S.

Boyle

Bell

Laboratories

Murray

Hill,

NJ,

USAGeorge

E.

Smith

Bell

Laboratories

Murray

Hill,

NJ,

USA

24

光纤波导

在高锟理论的指导下，1970年美国的康宁公司拉出了第一根损耗为20dB/km的光纤，从此介质波导在光纤通信、传感等领域得到了广泛的应用。25目前已接近石英光纤的理论损耗<

0.1

dB/km

导波光学的发展概况1969年，Miller提出集成光学概念(IntegratedOptics)1970年，研制可实用化光纤(20dB/km)；1970年，实现室温下连续工作的LD，这是导波光学的贡献；1972年，A.

Yarive提出光－电集成电路(OpticalElectronic

Integrated

Circuit,

OEIC)概念；

261969“集成光学”概念提出27波导的作用28集成光子回路光源光开关、滤波器等光纤探测器光调制器波导29

导波光学的发展概况80年代，基于微电子技术和光电子技术的快速发展，光－电集成电路实用化（LD+调制器→光发射）90年代，发展成为光子集成回路(Photonic

IntegratedCircuit,

PIC)，平面光路（Plane

Lightwave

Circuit,

PLC)90年代后期，光子晶体（Photonic

Crystal,

PC)出现。本世纪初，

硅基光子器件的崛起，——

集成光学器件的产业化！30光功分器——FTTH芯片2014/10/2236

DEMUX

MUXNTT-ROADM

Optical

Switch

n

AWGAddStructure

of

ROADM40multi-chip

with

n

AWGDropAWGs

&

SWs

integrated

in

one

chip

Discrete

multi-chip

with

butt-couplingDiscrete

2014/10/22

fiber

interconnection2014/10/2241Recent

Progress

in

Silicon

Photonics432004年基于硅CMOS工艺

的1Ghz光调制器Recent

Progress

in

Silicon

Photonics2004年10月,

Nature,

硅基全光开关2005年5月,

Nature,

硅光子线调制器

47硅基混合集成电致激光器

UCSB

and

Intel48Recent

Progress

in

Silicon

Photonics

IBM2006年9月,

硅基光缓存49

NTT——硅基光延迟线与光缓存

2008年12月

Nature

Photonics,5052近几年硅基光子学的发展情况2014/10/22

2010年提供硅基光电子器件代工服务

42IBM-Silicon

Integrated

Nanophotonics535560IBM

90nm

Silicon

Integrated

Nanophotonics

technology57Intel

推出

1.6Tb/s

的光互连技术

（2013-08）光互连在PC中的应用59More

than

Moore

SiliconPhotonics61光子学摩尔定律62Laser

Photonics

Rev.

6,

No.

1,

1–13

(2012)相比摩尔定律63Filter

MultipleChannelsIntegrated

Optics

Research

ECL

ModulatorTIATIADriversCMOSCircuitry

PassiveAlignmentPhotodetectors

DEMUXIntegrated

in

SiliconTODAYDevice

level

–

Prove

silicon

viable

FUTUREMonolithic?Receiver

ChipDriver

ChipTaper

PhotodetectorPassive

AlignMUXLasersIntegrate

silicon

devices

into

hybrid

modules

In