(集成光电子学导论)第一章光波导基本理论.ppt

第一章 光波导基本理论 如果芯层和包层宽度都变为1微米 思考：原因 多模干涉 请思考相干条件 不同模式是否符合相干条件？ 波长相同、相差恒定、 振动方向相同 对一个多模波导或光纤，你是否能辨别出每个模式？ 线性独立本征解的线性叠加 从量子力学的角度来看平板波导对光的束缚 Helmholtz equation: x n ncore nclad ncore nclad nclad Schr?dinger equation: ? V x V0 Vwell 1-d potential well (particle in a well) E1 E2 E3 离散能级 (能态) 势阱越深将支持更多的能级 离散的传播常数值 波导越宽折射率差越大，可容纳的模数就越多 硅片上的条形波导 Single-crystal Silicon Silicon oxide cladding Silicon substrate x x n nSi nSiO2 V x QM analogy Tunneling! Unfortunately quantum tunneling does not work for cars! 波导间的能量耦合 WG 1 WG 2 Cladding x V x Modal overlap! 思考：当只从波导WG1内输入一定光时，可能会发生什么现象？ 注意WG1和WG2内可以传输同一种模式，且模式有重叠部分，因此任意一根波导里有了以该模式分布的能量，都会向另外一根波导内耦合。 基于波导的集成光电子器件波导间不能靠的太近，为什么？ 相互耦合的光波导之间的模式耦合 z 1 2 拍长 π/kΔn 思考： 能否发挥想象，利用这个现象做一些现实应用？ 波导耦合器 Optical power Propagation distance 拍长 π/kβ 3dB direction coupler 思考： 如果要制作一个1:4分束比的耦合器该怎么做？ 总结 平面波导三个概念：全反射、数值孔径、古斯汉欣位移 能够体会波导模式的物理意义，理解与波导模式相关的三个因素 理解平面波导的本征方程及其体现的物理含义，思考由此引发的光纤结构、单模光纤的应用等问题 能灵活使用本章理论解释一些实际问题 几何光学：全反射、数值孔径 “织网式”教学实践 电磁场与电磁波：平板波导本征方程——数学物理方程方法 物理光学：本征方程的物理意义，全反射，临界角，菲涅尔定律 激光原理：模式的概念 光通信：光纤的构成，使用单模光纤的原因 光纤传感：古斯汉欣位移的应用 线性代数：模式（线性独立本征解）及特性 量子力学：三层平板波导模式与量子阱能级概念对比 在第一章里，教学尝试将九门专业课的知识体系有机联系起来！ 思考：光在1、2和1、3表面全反射时分别产生了一个附加相位，为什么？ 思考：全反射时相位是否会发生改变？ 从射线光学角度重新分析TE偏振的本征方程 入射角对反射系数相位的影响 思考：全反射时发生的相位变化大小怎么求？ 只要想到反射折射的大小变化，首先想到菲涅尔公式 当全反射发生时 根号为虚数，因此此时的反射系数为一复数 思考：κ和β分别具有什么物理意义？ 思考：全反射时的相位变化究竟怎么产生的？ 思考：光在传输过程里如何产生相位变化？ 相位不存在突变之说，相位的产生途径只有一个，即传输一段距离，即相位变化源自于 思考：从以上分析可以得到什么必然结论？ 全反射时，光不是于入射点终止，而是 前进了一段又回来了 古斯汉欣(Goos-Hanchen)位移 在全反射发生时，实际入射光会部分进入光疏介质，形式上相当于反射点相对入射点有个偏移距离 古斯汉欣位移 思考：这个位移Δ究竟有多大呢？ TM偏振的本征方程 前面讨论都是由电磁场理论，对TE偏振求解获得的，对TM偏振也可以获得类似的解 思考：和TE偏振相比，上式有何区别？ 思考：κ和β分别具有什么物理意义？ 内容回顾 思考：为什么光纤由芯层和包层组成，只有芯层行不行？ 根据以上知识猜测光纤传感及集成生物检测芯片的物理原理 光在光纤中传输时，感测外界环境变化对光的强度,波长,频率,相位,偏振态等光学性质的变化 的影响 思考：下面的光栅主要损耗来源 n1 n2 如果n1是硅，折射率为3.4；n2是空气，折射率为1 光栅尖角为45度 思考：从上次课可以看到，光要想耦合进入波导或光纤稳定传输，入射角必须小于某个值θ0，但是否只要小于该角度就能稳定传输呢？ 只有满足这个条件（本征方程）的光才可能稳定传输。每个m取值代表本征方程的一个解。 所以，能够稳定传输的θ0是不连续的。 对s（TE）偏振， 以 为变量，对方程左右两边分别作出曲线 假设n2=n3，即p=q 本征方程 每个交点就是关于κh方程的一个解