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Category Archives: optics

optics

对《Fundamentals of Micro-Optics》的介绍与评价

2013.12.18 , , 1 Comment , 2,202 views

网上找资料的时候找到的一个对Fundamentals of Micro-optics这本书的评价,还不错,另外文中也推荐了好几本书

由德国弗赖堡大学微系统工程系微光学教授Hans Zappe主编的《Fundamentals of Micro-Optics》(微光学基础)是迄今为止涵盖面最广、系统性最强的一本关于微光学方面的教材,全书619页,其ISBN字段为978-0-521-89542-2,剑桥大学出版社2010年首版发行。该书从光学基础到先进应用,包含了微光学所有关键领域中那些需要深入介绍的微光学器件、技术和应用问题[1]

1   前言

微光学是微米与纳米尺度上的光学,是二十世纪八、九十年代的产物,是知识密集、前沿与先进的光学新分支,被誉为光学新技术。自上世纪九十年代开始国内外陆续出版了一些关于微光学方面的书籍。

国内相关书籍主要有:2008年浙江大学出版社出版的杨国光的《微光学与系统》,该书以微光学与纳米光学理论为基础,主要阐述微光学器件及系统的原理及加工与测试技术[2]。2011年5月国防工业出版社出版了颜树华的《衍射微光学设计》,主要介绍一些衍射微光学器件的设计及应用[3]。

二元光学以及衍射光学的一些基本知识

2013.03.14 , , 1 Comment , 1,534 views

最近了解了下二元光学,找了些资料什么的看了下。

首先说下衍射的问题

1 光的衍射

当光波在传播过程中遇到障碍物时偏离直线传播、强度发生重新分布的现象称为光的衍射。
两个要点:
(1)光波的波面可以看成连续分布的次波点源。
(2)次波点源之间是相干源,观察场中的衍射强度分布是次波点源发出的次波相干迭加的结果。

2.衍射与干涉的异同

相同点:干涉与衍射都是相干迭加,都遵循迭加原理
不同点:
1)、干涉是几个离散相干点源发出的光波相遇时的相干迭加,衍射则是无数个连续分布的次波点源发出的次波相遇时的相干迭加。
2)、求合光强的问题虽然都归结为先求出复振幅的和,然后取其共轭,但一个是通过Σ求和求得复振幅的和,一个是通过积分求得复振幅的和。
3)、离散相干点源是真实光源,其光线遵循几何光学传播规律,次波源是人为假设的相干点源,其光线一般不服从几何光学传播规律。

注意红色的字,其实衍射光学的设计以及二元光学的设计就是从这里出发的。

传统的大家学习到的衍射,是一般都是通过物体的边缘什么然后光束绕行于是就是衍射。就是说出现在了不该出现的地方。但是衍射光学元器件或者或二元光学元器件,它并不是光束通过边缘来实现的,它的机理就是上面红字的后半句。制造出无数个连续分布的次波源点来实现的。我理解上就是在玻璃材料上制造出阶梯为2pi的相位的台阶,来实现的。具体的一些数据,当然要靠公司的来计算了。

 

二元光学

二 元光学是基于光波衍射理论发展起来的一个新兴光学分支,是光学与微电子技术相互渗透、交叉而形成的前沿学科。基于计算机辅助设计和微米级加工技术制成的平 面浮雕型二元光学器件具有重量轻、易复制、造价低等特点,并能实现传统光学难以完成的微小、阵列、集成及任意波面变换等新功能,从而使光学工程与技术在诸 如空间技术、激光加工、计算技术与信息处理、光纤通信及生物医学等现代国防科技与工业的众多领域中显示出前所未有的重要作用及广阔的应用前景。

微光学两个主要分支:

基于折射原理的梯度折射率光学
基于光波衍射原理的衍射(二元)光学

比较

二 者在器件性能、工艺制作等方面各具特色。二元光学是微光学领域中最具活力、最有发展潜力的前沿学科分支。光学和电子学的发展都基于微细加工的两个关键技 术:亚微米光刻和各向异性刻蚀技术。微电子学推动了二元光学学科的发展,而微电子工业的进步则得益于光刻水平的提高。此外,二元光学技术的发展又将促进微 电子技术的发展与提高。例如,目前在大规模集成电路的制作中所采用的移相模版和在制作光纤光栅中所用的相位模版也都是建立在二元光学的基础上的。二元光学 技术一经提出就吸引了—些技术发达国家的注目,引起了各研究机构、大学及工业界的极大兴趣,并被MIT林肯实验室称为振兴和发展美国光学工业的主要希望, 可见其在整个光学领域的意义。

衍射光学定义:

基于光的衍射理论,利用计算机辅助设计、并用大规模集成电路制作工艺,在基片上(或传统光学器件表面)刻蚀产生两个或多个台阶深度的浮雕结构,它是一种纯位相衍射光学元件。

diffraction optics

diffraction optics

光学发展

光纤标准和技术指标

2012.04.9 , , 1 Comment , 2,704 views

经过了几十年的发展,人们已经可以生产出各种各样的光纤。不同种类的光纤,由于其传输特性不同,会有不 同的适用范围。

  按光在光纤中的传输模式划分,可分为多模和单模光纤两种。常用多模光纤的直径为125μm,其中芯径一般在 50~100μm之间。在多模光纤中,可以有数百个光波模在传播。多模光纤一般工作于短波长(0.8μm)区,损耗 与色散都比较大,带宽较小,适用于低速短距离光通信系统中。多模光纤的优点在于其具有较大的纤芯直径,可以用较高的耦合效率将光功率注入到多模光 纤中。

  常用单模光纤的直径也为125μm,芯径为8~12μm。在单模光纤中,因只有一个模式传播,不存在模间色散, 具有较大的传输带宽,并且在1 550 nm波长区的损耗非常低(约为0.2~0.25 dB/km),因而被广泛应用于高速长 距离的光纤通信系统中。使用单模光纤时,色度色散是影响信号传输的主要因素,这样单模光纤对光源的谱宽和 稳定性都有较高的要求,即谱宽要窄,稳定性要好。单模光纤一般必须使用半导体激光器激励。

  按最佳传输频率窗口划分,可分为常规型单模光纤和色散位移型单模光纤。常规型单模光纤的最佳传输频率在1  310 nm附近,而色散位移光纤的最佳传输频率在1550nm附近。

  按折射率分布的情况化分,可分为阶跃折射率(SI)光纤和渐变折射率(GI)光纤。阶跃折射率光纤 从芯层到 包层的折射率是突变的。多模阶跃折射率光纤的成本低,模间色散高,适用于短距离低速通信。多模渐变折射率 光纤从芯层到包层的折射率是逐渐变小,可使高阶模按正弦形式传播,这样能减少模间色散,提高光纤带宽,增 加传输距离,但成本较高。现在所使用的多模光纤多为渐变折射率光纤。

  目前,国际上单模光纤的标准主要是ITU-T的系列:G.650“单模光纤相关参数的定义和试验方法”、G.652“ 单模光纤和光缆特 性”、G.653“色散位移单模光纤和光缆特性”、G.654“截止波长位移型单模光纤和光缆特性 ”、G.655“非零色散位移单模光纤和光缆特性”及G.656“用于宽带传输的非零色散位移光纤和光缆特性”。ITU -T对多模光纤的标准是G.651“50/125μm多模渐变折射率光纤和光缆特性”。

  国际电工委员会也颁布了系列标准IEC 60793,我国的光纤标准包括国家标准GB/T15912系列和信息产业部颁布 的通信行业标准YD/T系列。

  (1)单模光纤。

  ● 普通单模光纤

  普通单模光纤是指零色散波长在1 310 nm窗口的单模光纤,又称色散未移位光纤或普通光纤,国际电信联盟 (ITU-T)把这种光纤规范为G.652光纤。

  G.652属于第一代单模光纤,是1310 nm波长性能最佳的单模光纤。当工作波长在1310 nm时,光纤色散很小,色 散系数D在0~3.5 ps/nm·km,但损耗较大,约为0.3~0.4 dB/km。此时,系统的传输距离主要受光纤衰减限制。 在1 550 nm波段的损耗较小,约为0.19~0.25 dB/km,但色散较大,约为20 ps/nm·km。传统上在G.652上开通 的PDH系统多是采用1310nm零色散窗口。但近几年开通的SDH系统则采用1550nm的最小衰减窗口。另外,由于掺铒 光纤放大器(Erbium Doped Fiber Amplifier,EDFA)的实用化,密集波分复用(DWDM)也工作于1550nm窗口, 使得1550nm窗口己经成为G.652光纤的主要工作窗口。

  对于基于2.5 Gb/s及其以下速率的DWDM系统,G.652光纤是一种最佳的选择。但由于在1550nm波段的色散较大, 若传输10 Gb/s的信号,一般在传输距离超过50km时,需要使用价格昂贵的色散补偿模块,这会使系统的总成本增 大。色散补偿模块会引入较大的衰减,

  因此常将色散补偿模块与EDFA一起工作,置于EDFA两级放大之间,以免占用链路的功率余度。

  表1是有关G.652光纤的一些光学特性参数和凡何特性参数。

  表1 G.652普通单模光纤的典型光学特性参数和几何特性参数