光辐射在介质波导中的传播教学讲义

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1、光辐射在介质波导中的传播§2光辐射在介质波导中的传播主要内容分析方法2.1光线在介质界面的反射与折射2.2平板介质波导2.3光纤1射线光学2波动理论§2.2平板介质波导基础波导的发展历史光波导的基本概念光波导的主要种类平板介质波导的射线理论分析平板介质波导的波动理论分析一.光波导的发展历史1854年：英国的廷达尔(Tyndall)就观察到光在水与空气的分界面上作全反射以致光随水流而弯曲的现象；viahttp://diybbs.zol.com.cn/3/3_21739.html1929-1930年：美国的哈纳尔(Hanael)和德国的拉姆(Lamm)先后拉制出石英光纤并用于光线和图像的短

2、距离传输；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高锟教授(Prof.CharlesK.Kao)1933年出生于中国上海。被誉为“光纤之父”，曾任香港科技大学校长。1990年获选美国国家工程学院院士。1996年，创立香港高科桥公司。1970年，康宁玻璃公司（CorningInc.）率先研制成功损耗为20dB/km的石英光纤，取得了重要的技术突破经过近30年的发展，光纤的损耗已经降至0.2dB/km(单模光纤）各种光波导器件在

3、光纤系统中获得广泛应用，相关的应用产业日新月异地蓬勃发展二.光波导的基本概念导波光：受到约束的光波光波导：约束光波传输的媒介介质光波导三要素：(1)“芯/包”结构(2)凸形折射率分布，n纤芯>n包层(3)低传输损耗三.光波导的主要种类薄膜波导（平板波导）矩形波导（条形波导）圆柱波导（光纤）脊型波导沟道波导平面掩埋沟道波导单模：8~10um多模：50um125um§2.2.1平板介质波导的射线理论分析光线在平板介质波导中的传播结构波导薄膜1~10μm衬底包层通常为空气n3n2n1一般有非对称型对称型§2.2.1平板介质波导的射线理论分析可能存在的几种波导波的基础是全反射，然而全反射需要满

4、足条件以的平面波导为例，设临界角分别为当时，为导波模当时，为包层模当时，为衬底模§2.2.1平板介质波导的射线理论分析包层模和衬底模通过界面向外辐射能量，通常称为辐射模导模能将能量集中在波导中传播，是我们需要用来传输信号的光线（导模）在波导中是以锯齿形光路传播的§2.2.1平板介质波导的射线理论分析平板介质波导中的导波五个方面的内容特征方程导波模式截止波长单模传输对称薄膜波导、兼并§2.2.1平板介质波导的射线理论分析特征方程反映导波传输模式规律的方程导波特点条件称为色散系数或轴向相位常数表征传播方向上的色散特性MN如何保证平面波保持波前为平面？为什么要保持？MN§2.2.1平板介质波

5、导的射线理论分析特征方程特征方程又称色散方程，是讨论导波特性的基础其中是薄膜厚度是自由空间波数，取决于工作波长是相应界面全反射相移角，与波导的结构参数和入射角有关§2.2.1平板介质波导的射线理论分析特征方程特征方程又称色散方程，是讨论导波特性的基础其中对于TE波和TM波，分别取不同的值不同m值，对应于不同的波型或模式导模是离散模式，具有离散谱：对应于一个m值，有对应的值，m是正整数，是离散的，所以也是离散的。§2.2.1平板介质波导的射线理论分析导波模式对给定的波导和工作波长，可由特征方程求出可形成波导光的值不同的对应不同的m值，即不同的模式m称为模序数以TE波的表示式代入时，得出模

6、式为TEm模以TM波的表示式代入时，得出模式为TMm模m取值0，1，2，…时分别得到TE0、TM0、TE1、TM1、TE2、TM2、…的模§2.2.1平板介质波导的射线理论分析截止波长波导中，任一界面的全反射条件被破坏，即认为导波处于截止状态当时即处于截止的临界状态，进一步减小就会进入辐射状态临界状态时特征方程可写为截止波长§2.2.1平板介质波导的射线理论分析截止波长截止波长根据上面的条件很容易得到波导中所能传输的模式的数量、m阶导模的截止频率和截止厚度模式数量显然有§2.2.1平板介质波导的射线理论分析截止波长第m阶导模的截止频率第m阶导模的截止厚度§2.2.1平板介质波导的射线理

7、论分析单模传输截止波长最长（截止频率最低）的模式叫基模如平面波导中的TE0模如果波导的结构或选择的工作波长只允许TE0模传输，则称为单模传输在上面的各项截止指标中，令m分别等于0和1就得到维持单模传输的厚度范围、频率范围或者波长范围（分别对应于给定的其它条件）条件§2.2.1平板介质波导的射线理论分析对称薄膜波导、兼并当时，称为对称平面波导此时，特征方程，变为§2.2.1平板介质波导的射线理论分析对称薄膜波导、兼并TE模与TM模具有相同的截止波