光纤通信第5版第4章集成光波导ppt课件.ppt

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1、第4章集成光波导——集成光学(集成光电子学、集成光子学)是关于如何在基片上构造光器件与光网络的学科。集成光学提供将光器件与电器件组合在同一衬底上，以便制造出具有特定功能的系统或子系统的知识。集成光器件的尺寸通常在光波长量级，并且具有集成电路的优点。利用集成光学技术，可以设计完整的光发送机、接收机、中继器，通过光纤实现光互联。——在一个集成光网络中，光通过矩形电介质波导在各个元件间传输。平板光波导在集成光学中的作用与光纤相似，本章将研究光在平板波导中的传播规律。学习光在平板波导中的传播特性有助于理解光在光纤中的传播。第4章集成光波导§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

2、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章集成光波导电介质平板波导的结构如图4.1。电磁波主要在中间层传播，其折射率为n1。中间层通常很薄，一般小于一个微米，称为薄膜。薄膜夹在折射率分别为n2和n3的敷层与衬底之间。光线通过内全反射被束缚在中心薄膜之中。只有当n2和n3都小于n1时，才会发生内全反射。§4.1电介质平板波导图4.1电介质波导（n1>n2,n1>n3)衬底界面上的临界角为§4.1电介质平板波导图4.1电介质波导（n1>n2,n1>n3)敷层界面上的临界角为只有当图4.1中的角度θ大于其中的较大者时，才能保证光传播过

3、程不泄漏到外层去。同时要获得全反射，界面必须光滑。为了有效传播光信号，材料的吸收损耗必须很低。在集成光学中，常用的材料是LiNbO3和GaAs，其损耗分别为1dB/cm,和稍大于2dB/cm。对于光纤，由于要实现长距离通信，材料的损耗要求要低很多。由于在反射界面处存在一个消逝场，因此，电介质波导的敷层与衬底的吸收损耗也必须很低。§4.1电介质平板波导讨论对称波导，中心薄膜中的场为平面波，按角度θ以Z字形路径传播，如图。可以认为波导中总的场是两个相同的平面波叠加形成的，一个以角度θ向上传播，另一个以相同角度向下传播。波的传播因子可写为k=k0n1，k0是自由空间的传播因子。§4.2对称平板波导

4、中的模式图4.1电介质波导（n1>n2,n1>n3)图中画出了两个波的传播因子。图中被导波的净传播方向是在水平方向上。传播因子在这个方向上的分量为：§4.2对称平板波导中的模式图4.2平板波导中波的传播因子（β=ksinθ,h=kcosθ)通常称之为纵向传播因子。因为向上传播的波与向下传播的波之间的相互干涉，场沿y轴方向并不是均匀分布的，而是按正弦规律变化，即所谓驻波模式。中心薄膜的场可以写成§4.2对称平板波导中的模式图4.1电介质波导（n1>n2,n1>n3)这是由于y=0平面呈偶对称分布的模式。相对y=0平面呈奇对称分布的长也可以存在，表示为E1是电场峰值，h=kcosθ为传播因子k的

5、垂直分量。与式（3.1）表示的非导向波比较，波导中的电磁波在传播方向上显示了相同的变化规律，仅用β代替了k。只要用β代替（3.2）中的k，就可以得到波导中的相速度vg与纵向传播因子之间的关系为§4.2对称平板波导中的模式Wefindthephasevelocitybysettingthephaseequaltoaconstant:phase=t-z=constantTakethederivativewithrespecttotime:(10)Thevelocityisthen:§4.2对称平板波导中的模式与式（3.1）表示的非导向波比较，波导中的电磁波在传播方向上显示了相同的变化规律，仅

6、用β代替了k。只要用β代替（3.2）中的k，就可以得到波导中的相速度与纵向传播因子之间的关系为§4.2对称平板波导中的模式可以定义等效折射率neff，等于自由空间中光速度与波导中相速度之比，即§4.2对称平板波导中的模式对于波导中光的传播，等效折射率是一个关键参数，正如折射率在非导向波传播中所起的作用。EvanescentWaveEzStandingWaven1n2EnvelopeThedecayingwavecarriesnopowerinthez-direction.e-z中心薄膜外的消逝场按照式（3.35）所给出的衰减因子呈指数衰减。中心薄膜外的消逝场按照式（3.35）所给出的衰减因

7、子呈指数衰减。在敷层有§4.2对称平板波导中的模式在衬底则有其中E2是在上边界与下边界处电场强度的峰值。MODESINTHESYMMETRIC-SLABWAVEGUIDEn2n2n1n1>n2Rangeofforboundwaves:ModeinTheSymmetric-SlabWaveguideForanaxialray,=90°andneff=n1Foracriticalangleray=can