導波光學-導波光學基礎

lesson8Guided-wave

Optics導波光學

導波光學基礎1.1

光波基本方程????麥克斯韋方程物質方程波動方程電磁場邊界條件

?

坡印亭矢量1.2

平面電磁波的反射與折射

1

t

D

J

2

H

t

D

3

B

0

4

導波光學基礎1.1.1麥克斯韋方程

B

E

麥克斯韋方程的物理意義方程1:

變化的磁場產(chǎn)生電場;方程2:

變化的電場產(chǎn)生磁場;方程3:

電場是有源場;方程4:

磁場是無源場;0

0

B=

M

H+

E

J

H

B

E

D

,

,,

,

E

J

H

B

E

D

j

ij

i

j

ij

i

導波光學基礎1.1.2

物質方程各向同性的介質各向異性的介質

i,

j

1,2,3

D

0E+P

E

矢量赫姆霍茲方程n0

-

E

0

k

E

E22

tc

H

0

k

H

Hn-

H

0

tc導波光學基礎1.1.3

波動方程假設場中沒有自由電荷和電流,

且介質為非磁性介質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

電磁場的邊界條件

1.1.5

坡印亭矢量S

E

H光學中，坡印廷矢量的時間平均值是一個非

常重要的物理量，其大小等于光強的量度

，其方向代表光的傳播方向。電磁場的能量定理:在電磁場中，單位時間內(nèi)電磁能量的減小量等于場中所產(chǎn)生的焦耳熱及通過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給出了入射波、反射波和折射波三者傳播方

向之間的關系，而菲涅耳公式則給出了三者之間振幅和相

位的關系。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，反射光線與折射光線都是部分偏振光。當入射光

以一特殊角度射入時反射光是線偏振光，這個角叫作起偏角或者布儒斯特角，此時反射光線與折射光線互相垂直。布儒斯特角等于兩種介質的折光率之比的反正切。設θ1為入射角，θ2為折射角。我們有如果反射角和折射角垂直，則：整理，得：其中n1和n2為該兩種介質的折射率。導波光學Stanford

UniversityWashington

University3

導波光學的定義光在自由空間傳播

球面波點光源6平面波H

?E

?

k

?

7

導波光學的定義光在自由空間傳播

高斯光束束腰8電磁波中的“場”與“路”

>100電路~10-3微波波導(射頻電路）~10-6光波導（光路）光在限制空間的傳播——電磁理論

光波導14定義：研究光波在限制性空間（波導）中

光波傳播特性的一門學科導波光學的理論基礎和研究內(nèi)容

理論基礎：電磁波理論和普通物理中的光學知識主要內(nèi)容：研究光波在波導中傳輸規(guī)律，如傳播常數(shù)，模式，場分布，偏振、色散，吸收特性及其應用。光波攜帶的信息傳輸規(guī)律不屬于本課程內(nèi)容。以在線性空間，無損耗介質波導為主要研究對象。

17光波被限制在波導中傳輸光纖基本原理——利用光的全內(nèi)反射

幾何光學近似下

n2

n

1n2

1

Ray

Cycle11

1

n

low

nhigh

導模12輻射模波導大小與限制光斑大小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平面波導——最基本波導結構

模層方向包層n3芯層n1襯底n2

折射率

n1>

>n2,n3平面(平板）波導16

導波光學的發(fā)展概況和應用光波導概念——水管導光的現(xiàn)象貝爾“光通信”實驗中，透鏡波導波導概念在微波領域最早應用；現(xiàn)在意義上的光波導是在激光發(fā)明后的事；1961

年,

E.Snitze,

園截面介質光波導中場分布模式的理論和實驗研究；1962年發(fā)明的p-n結半導體激光器，就是利用導波現(xiàn)象；1966年，光纖被提出可以作為光波導傳輸合適的介質；18

光的全反射應用——光導管

1870年，英國物理學家丁達爾觀察到太陽光隨著水流發(fā)生彎曲。

光纖的發(fā)明：

英國人卡帕尼博士將此用于實際，發(fā)明了玻璃光導纖維：芯層+包層

(n芯層>n包層)

–光纖

19

早期的光通信

1880年，貝爾發(fā)明了第一個光電話，可以說是現(xiàn)代光通信的開端。光波傳播易受氣候的影響20反射波導和透鏡波導21

導波光學的發(fā)展概況現(xiàn)在意義上的光波導是在激光發(fā)明后的事；1961

年,

E.Snitze,

園截面介質光波導中場分布模式的理論和實驗研究1962年發(fā)明的p-n結半導體激光器，就是利用導波現(xiàn)象；1966年，光纖被提出可以作為光波導傳輸合適的介質；（高錕——光纖之父）22

“光纖之父”----高錕博士1966年：高錕博士發(fā)表他的著名論文“光頻介質纖維表面波導”首次明確提出,通過改進制備工藝,

,減少原材料雜質

,

可使石英光纖的損耗大大下降

,并有可能拉制出損耗低于20dB/km的光纖,從而使光纖可用于通信之中。

2009年諾貝爾物理獎

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

光纖波導

在高錕理論的指導下，1970年美國的康寧公司拉出了第一根損耗為20dB/km的光纖，從此介質波導在光纖通信、傳感等領域得到了廣泛的應用。25目前已接近石英光纖的理論損耗<

0.1

dB/km

導波光學的發(fā)展概況1969年，Miller提出集成光學概念(IntegratedOptics)1970年，研制可實用化光纖(20dB/km)；1970年，實現(xiàn)室溫下連續(xù)工作的LD，這是導波光學的貢獻；1972年，A.

Yarive提出光－電集成電路(OpticalElectronic

Integrated

Circuit,

OEIC)概念；

261969“集成光學”概念提出27波導的作用28集成光子回路光源光開關、濾波器等光纖探測器光調(diào)制器波導29

導波光學的發(fā)展概況80年代，基于微電子技術和光電子技術的快速發(fā)展，光－電集成電路實用化（LD+調(diào)制器→光發(fā)射）90年代，發(fā)展成為光子集成回路(Photonic

IntegratedCircuit,

PIC)，平面光路（Plane

Lightwave

Circuit,

PLC)90年代后期，光子晶體（Photonic

Crystal,

PC)出現(xiàn)。本世紀初，

硅基光子器件的崛起，——

集成光學器件的產(chǎn)業(yè)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工藝

的1Ghz光調(diào)制器Recent

Progress

in

Silicon

Photonics2004年10月,

Nature,

硅基全光開關2005年5月,

Nature,

硅光子線調(diào)制器

47硅基混合集成電致激光器

UCSB

and

Intel48Recent

Progress

in

Silicon

Photonics

IBM2006年9月,

硅基光緩存49

NTT——硅基光延遲線與光緩存

2008年12月

Nature

Photonics,5052近幾年硅基光子學的發(fā)展情況2014/10/22

2010年提供硅基光電子器件代工服務

42IBM-Silicon

Integrated

Nanophotonics535560IBM

90nm

Silicon

Integrated

Nanophotonics

technology57Intel

推出

1.6Tb/s

的光互連技術

（2013-08）光互連在PC中的應用59More

than

Moore

SiliconPhotonics61光子學摩爾定律62Laser

Photonics

Rev.

6,

No.

1,

1–13

(2012)相比摩爾定律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