光电子技术基础第4章光波导技术基础

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1、第4章光波导技术基础为使激光器发出的光直接或I'可接地为人类服务，需要将光源发出的光调制后传送到接收器，这当中最重要的是要有一种衰减尽可能小而且尽可能不失真地传输光的光路。对于光电子技术来讲，用于发光的光源和将光转换成电的探测元件作为光电子系统的“发”端与“收”端，是不可缺少的重要器件，而用于各器件间光传输的介质光波导也是极其重要的，它将光限制在一定路径中向前传播，减小了光的耗散，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，是光电子学向集成光电子学发展的主要基础知识，也是光纤通信的重要基础知识。传统光学中常用空气作传

2、输介质，用透镜、棱镜、光栅等光学元件构成光路来实现光的焦、传输、转折等。但在长距离传输中，大气中的水分和气体等的吸收、水滴和粉尘等烟雾的散射等都很大，各种光学元件又存在菲涅耳反射等耗散，因而没有实用价值。也有人曾试验过气体透镜：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，使通过的光向小心汇聚，不致耗散，但实现起来相当困难。最终人们发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，这正如电流被限制在线路布线、电线等中传输一样。介质波导常用的有平面（薄膜）介质波导、条形介质波导和圆柱形介质

3、波导。当工作于光波波段时，这些介质波导常称为平面光波导、条形光波导与光纤。光纤分为阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤。阶跃折射率光纤的原理由英国的Tyndall于1854年提出，英国的Baird与美国的Hansel1于1927年屮请石英光纤应用专利。向玻璃光纤输入光最早于1930年前后由德国人完成。1958年，美国的Kapany设计了细束光纤，同年美国光学公司为减少光纤包层杂散光引入笫二吸收鞘；1961年美国的Snitzer研制了光纤激光器。1963年，日本的西迟等人申请了渐变折射率光纤专利，1968年日本玻璃板公司研制出产品o1970年,美国

4、Corning公司研制出20dB/km的低损耗光纤,从此之后,各公司为实现光通信的商用化，开展了大暈光学元器件和传输通路的研制。目前，光纤通信已产业化，各国都在实现光纤通信网络化。平板与条形光波导是光学系统小型化、集成化、固体化需求下的产物。可以将光限制在低损耗的波导内传播。其起源可追溯到1910年徳国的Hondros和Debye进行的电介质棒的研究。1962年前后开始了薄膜光波导的研究：当年美国的Yariv从pn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，1965年美国的Anderson开始用光刻

5、方法制作光波导，1964年，Osterberg与Smith开始光波导耦合实验。此后各国开始了各种功能光波导器件的研制。无论是平面型介质波导还是圆介质波导，它们的电磁场主要集中于芯区，但并非封闭于芯区，在衬底与覆盖层中，在包层中也有电磁场存在。它们紧贴着芯区，沿芯区的外法线方向场指数衰减。介质波导是开放型波导，纵向传播的波是表面波。平面波导是更复杂的波导结构的基本几何形状，其结构最为简单、直观与精练，便于对波导中光的轨迹有最清晰的概念，我们就由此出发來进行光波导的研究；光纤是现实应用最广泛的光波导，并且是典型的柱面结构，也是本章学习的重点之一

6、。以下我们研究远离电源的介质光波导，即没有空间电荷（/?=0）、没有电流（T=0）的系统，其间填充的是线性、均匀、各向同性的不导电介质。平面波导就是界面为平面的波导,为此需要研究界血上光线的传播情况，就此分析形成波导的条件。4・1平面介质光波导中的光传播与导引波、消逝波、波导当均匀平面波在rti无源、无荷的线性、均匀、各向同性、不导电介质构成的无损介质界面发生全反射时，整个介质空间的合成场将形成沿界面方向传播的非均匀平面波：在光密介质中，波场沿界面法线方向按驻波分布，称导引波；在光疏介质中，波场沿界面法线方向按指数衰减分布，称消逝波。4.1

7、.1光在介质界面的传播特性由光学知识可知（图2-6）：电磁波通过两种介质的界而时，将发生波的反射和折射，反射波和折射波的方向遵守折、反射定律叫sinq=n2sin02反射波的振幅服从菲涅耳公式(4-la)(4-lb)_®cos一n2cos02r±~n}cos0^n2cos02_n2cosq-n}cos02〃_gcosq+qcosgr称为振幅反射系数，下标“丄”和“//”分别表示电矢量垂直和平行于入射面。rr>n2时，&

8、增大到Ox>0C,其中0满足®sin0.=/I?sin㊁时，产生全反射。由此得0（=arcsin式中OO昭+人Sil?q_

9、命）2