高等光学cxr__第14讲讲述.ppt

“导光”的古老历史 1854年：英国的廷达尔(Tyndall)就观察到光在水与空气分界面上作全反射以致光随水流而弯曲的现象； 1929-1930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象的短距离传输； 中国古代烽火台 “光纤（通信）之父”----高锟 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。 光波导技术的迅猛发展 1970年,康宁玻璃公司(Corning Glss Co）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）； 各种光波导器件在光纤系统中获得广泛应用，构筑所谓的 “信息高速公路” ，相关的应用产业日新月异地蓬勃发展，涉及的部门 包括邮电、电子、电力、化工以及机械等行业，形成一个年产值1000多亿美元的巨大市场。 光波导的基本概念 导波：受到约束的光波 波导：约束光波传输的媒介 介质光波导三要素： “芯 / 包”结构 凸形折射率分布，n1n2 低传输损耗 光波导的分类 圆柱波导:光导纤维 光波导的进一步分类 按折射率分布： 均匀折射率分布光波导；渐变折射率分布光波导 按传播模式： 单模光波导；多模光波导 按材料： 石英、塑料与红外光波导、III-V族材料光波导 特种光波导（光纤）： 保偏(单偏振)光纤；有源光纤；晶体光纤 零/非零色散位移光纤；负色散光纤； 特殊涂层光纤；耐辐射光纤；发光光纤 对称/非对称波导 对称波导： 芯区周围的介质折射率相同 非对称波导： 芯区周围的介质折射率不同 光波导技术的广阔应用领域 计算结果有如下特征： 结论： ??(i) 在1/α2和1/α3处，光功率衰减为界面的1/e，在此区域外仍有光功率 ?? (ii) 从几何光学角度解释，光线在等效反射面反射（古斯-哈钦位移） ?? (iii) 当λ→0，k0→∞时，α2，α3→∞，等效厚度deff→2a 5、对称薄膜波导 对于TE模，场量Ey表达式 偶 对 称 奇对称 利用边界条件，可得特征方程 两式合并得： 同理，TM模的特征方程为 偶对称 奇对称 n2 特征方程求解 令 则 或 V的几何含义：圆W=(V2-U2)1/2的半径。半径越大，交点越多， 传播模数量越多。?? V的物理含义：归一化频率。包含波长、厚度、折射率、相对 折射率差 多种因素。 TE模和TM模的截止条件 归一化截止频率 截止波长 单模传输条件为： 若Vc(TEm)= Vc(TMm)，则称TE模和TM模简并。 6、非对称平面光波导和截止波长 n1 n2 n3 n1 n2 n3 截止波长 7、单模传输与模式数量 在同一波中, TE模的截止波长最长,称基模.如果波导中,仅基波允许传输,称为单模传输,条件为 单模传输条件破坏后,波导中可多模传输,其传播的模数为: 从结果看: d 大, n1、n2 差别大,波导中的模式多, TM,TE 模 之和为总模数. §7-3 光在薄膜波导中的传播 一、薄膜光波导模式的射线理论分析 二、薄膜波导的波动理论分析 一、薄膜光波导模式的射线理论分析 1、模式的本征方程 导波：沿轴向均匀传播 全反射——某些光波间会相消干涉，造成导波轴向不均匀 ——横向相位匹配 以上二条件皆满足，入射平面波在介质光波导上、下两界面发生全反射，成“之”字形不断前进，形成横向驻波、纵向行波的场分布。 以三层平板波导为例： 波导层、衬底层、包层(覆盖层)，折射率分别为n1、n2、n3，且n1n2 ≥n3，平面光以θ角入射到厚度为d的波导层中，θ不同，则光传输情况不同： z x n1 n2 n3 d y x 锯齿光线的波矢量图 包层 n3 薄膜 衬底 n2 n1 B z ? d C A? 2?i 如图红色虚线为光的波面，A和C位于同一波面，光线ABC 和C点之间的光程差为： 其中 BC=d/ cos?i AB+BC AB=BCcos2?i 形成稳定场条件： k1(AB+BC) ? 2?12 ? 2?13=2m? m=0,1,2… 2d n1 k0 cos?i ? 2?12 ? 2?13= 2m? 下界面的相移 上界面的相移 ?