《集成光波导》PPT课件

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1、§4.1电介质平板波导§4.2对称平板波导中的模式§4.3非对称平板波导中的模式§4.4波导的耦合§4.5平板波导的色散和失真§4.6集成光器件§4.7总结和讨论第4章集成光波导§4.5平板波导的色散和失真——波在折射率随波长变化的介质中传播时，波形会发生展宽(失真)。脉冲展宽是一种在任何包含色散材料的电介质结构中都存在的现象。在电介质平板波导和光纤这样的波导中，还有另外两种失真：波导色散和多模失真。即使中心薄膜和衬底材料是非色散的，对于固定的中心薄膜厚度，某个特定模式的有效折射率也会随波长而变化。由图4.5可看到这种变化趋势

2、，即波导色散。4.5.1波导色散图4.5对称平板波导的模式图(n1=3.6,n2=3.55)2随波长的变化，有效折射率neff与折射率n一样会导致脉冲展宽。在通常情况下，材料是色散的，因此波导色散与材料色散会同时存在。4.5.1波导色散图4.5对称平板波导的模式图(n1=3.6,n2=3.55)3由波导色散所引起的脉冲展宽幅度与材料色散所导致的脉冲展宽遵循同样的方程，不同的是要用有效折射率替代材料折射率。4.5.1波导色散材料色散：波导色散：式中最后一项可从模式图中neff的斜率获得，如同式(3.13)中的n”可由折射率曲线的

3、斜率求得一样。4图3.6石英玻璃的折射率与波长的关系曲线图4.5对称平板波导的模式图(n1=3.6,n2=3.55)5WaveguideDispersionModeChart=2-1Forafixedd(slabthickness),neffvarieswith.Thus,differentwavelengthsfromthesamesourcetravelatdifferentspeeds.Thisyieldspulsespreading.Thisiswaveguidedispersion.WaveguideDis

4、persionSincen1andn2alsovarywithwavelength,materialdispersionexistsinadditiontowaveguidedispersion.Thetotaldispersivepulsespreadisthesumofthetwo.Thatis:因为材料色散M有可能为负值(例如在石英玻璃中，当工作波长超过1300nm时)，由色散引起的总脉冲展宽实际上有可能会因为波导色散的存在反而减小。图3.8纯siO2的材料色散，与图3.6(c)非常相似*图D=-M*图总色散图D=Dm+

5、Dw8当多个模式在同一平板波导中传播时，相对于波导轴的传输速度互不相同。一个入射光束的能量在传输过程中会被分配到若干个模式上，其传播速度各不相同。因此输入波形在传输过程中会产生畸变。各个模式到达输出端的时间不同，从而使得波形被展宽，这种现象称为多模失真或模式失真，也常称为多模色散。4.5.1多模失真（模式色散）注意：多模失真并不取决于光源线宽。一个理想的单频光脉冲(Δλ=0)仍然会产生多模展宽，而材料展宽和波导展宽则为零。如果波导只允许一个模式传播，则不会产生多模失真，这就是单模波导的一个优点。9MultimodeDistor

6、tionConsidertheworstcasebycalculatingthedifferenceinarrivaltimesbetweenthelowestmode(axial)andthehighestmode(=c)forahighlymultimodewaveguide.LetL=lengthofthewaveguideMultimodeDistortionn1n2n1>n2AxialmodeL2n2cHigherordermodeL1MultimodeDistortionAxialmodetraveltime

7、:L1L2(4.25)Forthecriticalangleray,cMultimodeDistortionThetotalpathofthecriticalanglerayisthen(4.26)Thecriticalangleraytraveltimeis:MultimodeDistortionThetotaldelayisThisisthemodalpulsespreadperunitlengthinamultimodewaveguide.Wecanwriteitas(4.27)MultimodeDistortiont

8、ogetUsethefractionalrefractiveindexchange(4.28)ModalPulseSpreadIfn1andn2arenearlyequalMultimodeDistortionFinally,intermsofthenumericalaper