第二章第1节.ppt

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1、第二章平面介质光波导和耦合模理论2.0光波导简介2.1平板光波导的射线光学分析2.2平板光波导的波动光学分析2.3条形光波导的波动方程分析2.4耦合模理论2.5光波导的激励2.0光波导简介定义：约束光传输的介质特性：长距离限制光场和高传播速度导波光学：常把波导中光学现象（e.g传播、耦合、调制）的研究称为导波光学光波导理论：一个波导里能激励不同导波模式的现象。平面介质光波导理论和耦合模理论是集成光学的理论基础之一。光波导的传输原理：在不同折射率的介质分界面上，电磁波的全反射现象使光波局限在波导及其周围有限区域

2、内。2.0光波导简介光波导的传输损耗：光波沿波导传播过程中存在的损耗。分为以下四种类型：散射损耗（主要存在于玻璃或介质波导中）；吸收损耗（主要存在于半导体材料中）；辐射损耗（主要存在于弯折波导中）；模式转换损耗（波导中可能发生的向激励模以外的导模转换）2.0光波导简介8.光波导的分类(按照结构分)(a)平板波导(slabwaveguide)(b)条形波导(stripwaveguide)(c)圆柱波导(cylindricalwaveguide)根据光波导中介质折射率的分布形式：折射率突变型（阶跃型）：波导区的折

3、射率恒定折射率渐变型（梯度型）：波导区的折射率缓慢变化raa0n1n2n(r)raa0n1n2n(r)阶跃折射率分布梯度折射率分布(a)平板波导2.0光波导简介n1n2n3xyz敷层衬底芯层(b)条形波导1.strip-loadedwaveguide:(a)在平板波导表面部分地加载介质，加载介质部分的波导的等效折射率会变大，这部分把光限制起来。(b)加载金属部分的等效折射率会减小，在空气覆盖层部分将起到波导功能。2.ridgewaveguide:首先在衬底表面上，通过蒸发、溅射、扩散、外延生长等方法制作平板波

4、导，然后刻蚀除去多余部分。3.buriedwaveguide:通过选择性的扩散、离子交换、离子注入、激光照射等方法，在接近衬底表面的地方形成高折射率的波导层。2.0光波导简介(c)圆柱波导（光纤）单模：8~10mm多模：50mm125mm纤芯包层涂覆层护套层强度元件内护层光纤缆芯外护层2.0光波导简介光波导技术的广阔应用领域光波导技术有源无源器件光纤通信干线光交换接入网AONDWDMOADMOTDMFTTC,B,O,H位移、振动温度、压力应变、应力电流、电压电场、磁场流量、浓度可以测量70多个物理化学量广告显

5、示牌激光手术刀仪表照明工艺装饰电力输送光纤面板医用内窥镜潜望镜光子集成光电子集成集成光路光收发模块光接入模块光开关模块光放大模块信息获取信息传输信息处理其它应用2.0光波导简介2.1平板光波导的射线光学分析光波导现象的物理基础光在光波导中的光学现象导波光存在的条件n3覆盖层n1光波导层n2衬底层如何让光线留存于光波导层？如何存在？如何传输？如何判断？平板光波导的射线光学分析导入全内反射现象全反射临界角：问题一：如何存在？如何让光仅存在于某种介质n1n2n1光波导层n2衬底层n3覆盖层入射角反射角折射角n1>n

6、2θin1光波导层n2衬底层n3覆盖层问题二：如何传输？不同角度的入射光线如何在波导层传输θi1、θin1光波导层n2衬底层n3覆盖层问题二：如何传输？不同角度的入射光线如何在波导层传输θi2、θiθin1光波导层n2衬底层n3覆盖层问题二：如何传输？不同角度的入射光线如何在波导层传输3、引入沿z方向的传播常数（波矢）θiθizxy问题三：如何判断？如何判断光线在波导层存在条件？光波导中存在传导波的条件为仅存在衬底辐射的条件为同时出现衬底和覆盖层辐射的条件为问题三：如何判断？如何判断光线在波导层存在条件？如何

7、存在？如何传输？如何判断？如何让光线留存于光波导层物理基础全内反射光学现象分析入射角与全内反射角之关系存在条件小结如何传输？如何判断？相关概念本征模：从可得出，可能有多个解，对于每一个解就可能有一个导波存在，称之为本征模。m：波导中允许有一组离散的本征模存在；每个本征模（模式或模）用一个序号m表示。M非负整数m较小的模式称为低阶模，m较大的模式称为高阶模。导波的主模：波导理论中，称传播常数最大（即截至波长最大）的模式为导波的主模。模式截止：如果波导中某个模式开始出现衬底辐射则这个模式截止，截止时波长为截止波长

8、。相关概念弱导：当波导层与衬底之间的折射率满足的条件时，光波导称为“弱导”。弱导只是折射率差很小，能传播的光波模式较少（即单模传输），但仍可能有强的导波作用。倏逝波（衰逝波）发生全反射时，光波场将透入到第二个介质很薄的一层内（约为光波波长），并沿着界面传播一段距离，再返回第一个介质。这个透入到第二个介质中表明层内的波叫倏逝波（衰减波）。倏逝波现象也就是光子隧道效应：从光的波动和粒子二象性理解，在全反