光电子第四章_光波导技术基础_朱京平PPT

第4章第4章光波导技术基础光波导技术基础主要内容主要内容•41平面介质光波导中的光传播与导引波•4.1平面介质光波导中的光传播与导引波、消逝波、波导•4.2平面介质光波导中光导模的几何光学分析•4.3平面介质光波导中光导波的物理光学分析•4.4光纤——圆柱介质光波导•45光纤中光导波的线光学分析•4.5光纤中光导波的线光学分析•4.6阶跃光纤中导波的物理光学分析光色散与脉冲宽•4.7光纤色散与脉冲展宽•光波导技术基础光源-------接收器，桥梁:光波导.光路要求:衰减尽可能小+尽可能不失真地传输光。介质光波导:将光限制在一定路径中向前传播，减小光耗散，便于光的调制、耦合等，为光学系统的固体化、小型化、便于光的调制、耦合等，为光学系统的固体化、小型化、集成化打下了基础传统光学传输介质:空气，+透镜、棱镜、光栅等光学元件构成光路长距离传输：存在水吸收、微粒散射，光学元件菲涅尔反射等，无实用价值。长距离传输存在水吸收、微粒散射，光学元件菲涅尔反射等，无实用价值气体透镜：将圆管中充满清洁的空气，四周加热，调整气体流速以保持层流，用气体温差构成气体透镜，使通过的光向中心汇聚，不致耗散，但难实现。介质光波导：可以用来引导光按需要的路径传播，并且损耗可以做到很小，分类平面（薄膜）介质波导条形介质波导和圆柱形介质波导分类：平面（薄膜）介质波导、条形介质波导和圆柱形介质波导。•光波导技术基础光纤：阶跃折射率光纤：原年英国的原理：1854年，英国的Tyndall石英光纤应用专利：1927年，英国的Baird与美国的Hansell申请。玻璃光纤注光1930年德国人玻璃光纤注光：1930年，德国人细束光纤设计：1958年，美国的Kapany第二吸收鞘引入：1958年，美国光学公司，为减少光纤包层杂散光；第二吸收鞘引入：1958年，美国光学公司，为减少光纤包层杂散光；光纤激光器：1961年，美国的Snitzer研制。渐变折射率光纤专利：1963年，日本的西呎等人申请产品：1968年，日本玻璃板公司研制。1970年，美国Corning公司研制出20dB/km的低损耗光纤，开始光纤通信产业化开始光纤通信产业化。•平板与条形光波导：光学系统小型化、集成化、固体化需求的产物。起源：1910年，德国的Hondros和Debye进行的电介质棒的研究。•1962年：美国的Yariv从p-n结中观测到平板层中的光波导现象，•1963年，Nelson等人发现了光波导电光调制现象，•1964年，Osterberg与Smith开始光波导耦合实验。•1965年，美国的Anderson开始用光刻方法制作光波导，•此后各国开始了各种功能光波导器件的研制。•光波导技术基础学习重点：平面波导：结构昀为简单、直观与精练，便于建立清晰概念光纤：应用昀广光波导，并且是典型的柱面结构。电磁场分布特性：芯区：集中衬底与覆盖层：紧贴着芯区，沿芯区底外法线方向场指数衰减。条件：光波导：无源、无荷、线性、均匀、各向同性、不导电、无损介质界面入射光：均匀平面波过程：全反射结果：沿界面方向传播的非均匀平面波：光密介质中，波场沿界面法向按驻波分布——导引波光疏介质中波场沿界面法向按指数衰减分布消逝波光疏介质中，波场沿界面法向按指数衰减分布——消逝波•4.1平面介质光波导中的光传播与导引波、消逝波、波导4.1.1光在介质界面的传播特性电磁波通过两种介质界面反射和折射电磁波通过两种介质界面——反射和折射：'方向：112211sinsinnn2211sinsinnn反射波振幅：菲涅尔(Fresnel)公式：22112211coscoscoscosnnnnr2112//coscoscoscosnnnnr2211coscosnn2112coscosnnr：振幅反射系数，角标“⊥”和“∥”分别表示电矢量垂直和平行于入射面。•4.1.1光在介质界面的传播特性且时，产生全反射，其中：21nnc12arcsinn1arcsinnc当时当时，c1sincos22121nni)2exp(sincos~2221ininrsincos111ni式中22121212cossinarctannn121221212//cossinarctannnnn下面我们分析合成场的性质。•4.1.2光密媒质中的波场——导波光密媒质反射波在界面发生相位突变光强反射率1*rrRR光密媒质：反射波在界面发生相位突变，光强反射率，光密媒质中的场由入射波和反射波叠加而成。入射波电矢量垂直入射面时：1//rrRR入射电场：)sincos(exp)(exp),(11111zkxktiEtiEtEyyyrkr反射电场：)i()()(kktiEtiEtEk')sincos(exp)(exp),(1111zkxktiEtiEtEyyyrkr1式中，称为纵向传播常数；nknksinnk式中，称为纵向传播常数；，称为横向传播常数1011nknck110sinnk110cosnkh2exp~irEy又由于pEy•4.1.2光密媒质中的波场——导波zhxtiAzhxtiiEtEyyexpexpexp,rzhxtiAzhxtiiEtEexpexpexp,rzhxtiAzhxtiiEtEyyexpexpexp,r合成波电场ztiyyyehxAtEtEtEcos2,,,1rrr同理可得合成磁场：ztixehxAtHcossin2,r111同理可得合成磁场：1ztizehxAitHsincos2,11r1式中，称为波阻抗。011•4.1.2光密媒质中的波场——导波光密介质中合成场的特性：(1)合成场的等相位面(z为常数)垂直于波传播方向，等振幅面(x为常数)平行于界面，二者互相垂直，因而属非均匀平面波。光密介质中合成场的特性：(2)合成波的电矢量只有横向分量，而磁矢量除有横向分量外还有纵向分量，因而合成波为横电波。yE1xH1zH1z1(3)合成场区沿x方向为驻波，场分量与的相位差为，x方向无能量传播。yE1zH12(4)合成场区沿z方向为行波，传播相速度为：()11sinncυp可见甚至可cυ可见，甚至可c。pυ1nc相应地，z向波长（导波波长）为：110sin2np11，甚至。10n0p0p•4.1.2光密媒质中的波场——导波由于与同相，所以其玻印亭矢量yE1xH1zzSeHES可见能量沿z方向传播群速度可见，能量沿z方向传播，群速度2iccυ111sinnnυυpg这种波只沿z向传播功率，如同被界面所引导，称导引波，简称导波。称导引波，简称导波。入射波电矢量平行界面时，为TM波，分析方法同上。•4.1.3光疏媒质中的场——消逝波界面全反射时，入射光功率全返回光密媒质中，光疏媒质中似无透射场，全反射过程仅进行了功率全反射，而场有透过)sincos(exp)(exp),(2222222zkxktiEtiEtEyyyrkr2式中22nckc11sinsinsin11nn由于1sinsinsin2122cnn1sinsin1cos2212ni1sinsin1cos1222ni于是)(EtEzti于是)exp(,22pxeEtrEztiy222222iknkk2220212121022sincosnknnkikp•4.1.3光疏媒质中的场——消逝波光疏媒质中合成电场特性(1)等相位面垂直界面，等振幅面平行于界面，互相垂直，为非均匀平面波。(1)等相位面垂直界面，等振幅面平行于界面，互相垂直，为非均匀平面波。(2)振幅沿界面法向按指数衰减，故称为消逝场，p称为消逝系数，定义消逝长度为波场衰减到边界值的1/e，即L定义消逝长度为波场衰减到边界值的1/e，即PL222i1ncL12121sinnnpLp如取（石英）（空气）时对可见光波得≈05μｍ521n1nL如：取（石英），（空气）时，对可见光波得≈0.5μｍ。可见，一般来讲，消逝场透射深度很小。52.11n12nPL(3)方向为行波其相速度和能量传递速度皆同光密媒质波场集中(3)z方向为行波，其相速度和能量传递速度皆同光密媒质，波场集中在x=0附近较小的范围内，好象贴着表面传播，所以称光疏媒质中传播的波场为表面波，又称消逝波。PL质中传播的波场为表面波，又称消逝波。•4.1.3光疏媒质中的场——消逝波若在光密介质中x距界面(m＝1,2…)处放光疏媒质，则不影响界面与光疏媒质中间夹层中光密媒质中场分布光2xm则不影响界面与光疏媒质中间夹层中光密媒质中场分布，光被约束在中间媒质层中沿z向传播，这种层状结构即形成波导介质波导是开放型波导纵向传播的波是表面波若在界面外小于范围内放置另一的光密介质板，pL23nn导；介质波导是开放型波导，纵向传播的波是表面波。若在界面外小于范围内放置另的光密介质板，可通过消逝场的渗透将原光密媒质中传播的功率耦合出来。p23•4.2平面介质光波导中光导模的几何光学分析导波沿轴向均匀传播导波：沿轴向均匀传播全反射——某些光波间会相消干涉，造成导波轴向不均匀横向相位匹配——横向相位匹配二条件满足，入射平面波在介质光波导上、下两界面全反射，成“之”字形不断前进形成横向驻波纵向行波的场分布成“之”字形不断前进，形成横向驻波、纵向行波的场分布。以三层平板波导为例：以三层平板波导为例：波导层、衬底层、包层(覆盖层)折射率分别为(覆盖层)折射率分别为，平面光以θ角入射到厚321,,nnn321nnn平面光以θ角入射到厚度为d的波导层中，θ不同光传输情况不同不同，光传输情况不同•4.2平面介质光波导中光导模的几何光学分析(1)1312cc(1)上、下界面均满足全反射条件。但只有当横向(＜０)往返次相位但只有当横向(x＜０)往返一次相位变化是整数倍时，光波才能在上下界面间来回反射，并限制在该2上下界面间来回反射，并限制在该层内沿锯齿光路传播，形成模式波。往返一次相位变化包括：传播常数横向分量相移界面反射相位滞后cos210dnk13122cos2131210mdnk(m=0,1,2,…)导波模式的本征方程m：横向驻波波节数，每个m值对应一个导波模式，简称导模平板波导中的导模及其场分布•4.2平面介质光波导中光导模的几何光学分析对于一定波长的光波，只有某些的入射光才能形12cmm对于定波长的光波，只有某些的入射光才能形成导波，且m越大，越小，即小入射角度相应模式阶次高，z向单位长度内导模上下振荡次数多当m→0时θ→90°12cmmmz向单位长度内导模上下振荡次数多；当m→0时，θ→90，波近乎只有z向分量，可认为沿z向传播。由得：12cm113121210cos221cdnkm221131222210nnd211312V22212nndV式中称归一化厚度、归一化频率，直接210影响m取值，波导中波的传播模式。•4.2