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湖南大学 2016 年 3 月 School of Physics and Microelectronics Science 光电子学 第四章 光辐射在介质波导中的传播 第八讲 怎样理解光在非均匀介质传播路线曲线，低弯向高n区？ 古斯—汉欣位移？原因？ 安贝尔位移？ 集成光学 第七讲要点回顾 光辐射在介质波导中的传播 　 4 §4-7 光纤损耗与色散 §4-6 光纤中电磁波模式理论 §4-4 矩形介质波导基本概念 §4-3 平板波导的电磁理论 §4-1 光在介质分界面上的反射与折射 §4-8 光波导装置与应用 §4-5 光纤中的射线分析（上、下） §4-2 介质平板光波导的射线分析方法 4-1光在介质分界面上反射与折射 4-2介质平板上光波导射线分析方法 4-3平板波导电磁理论 4-4矩形介质波导基本概念 4-5光纤中射线分析 4-6光纤中电磁波模式理论 4-7光纤损耗与色散 4-8光波导装置与应用 思路： 先：入射线界面入射角关系，是否全反射，波导模式及存在关系； 次：由锯齿光线波矢量图，光在膜层传播几何关系， 直接与间接波叠加，得平板波导特征或色散方程； 讨论：特征方程得导模截止模方程，确定截止参数； 后：光线非均匀介质传播路线曲线， 得渐变折射率平板波导模方程。 4-1光在介质分界面上反射与折射 4-2介质平板上光波导射线分析方法 4-3平板波导电磁理论 4-4矩形介质波导基本概念 4-5光纤中射线分析 4-6光纤中电磁波模式理论 4-7光纤损耗与色散 4-8光波导装置与应用 第八讲要点 平板波导特征或色散方程 平板波导模式及存在关系 渐变折射率平板波导模方程 1 3 2 圆柱波导（光纤） 矩形波导（条形） 薄膜波导（平板） 4-1光在介质分界面上反射与折射 4-2介质平板上光波导射线分析方法 4-3平板波导电磁理论 4-4矩形介质波导基本概念 4-5光纤中射线分析 4-6光纤中电磁波模式理论 4-7光纤损耗与色散 4-8光波导装置与应用 一、平板波导的模式 二、导模的特点与模方程 三、导模的截止 四、渐变折射率平板波导 平板波导结构，三层平薄介质组成： 中间膜厚1-10μm，n1，光波传播； 底层衬底，n2； 上包层，n3；空气n3=1， 三层n： n1与n2差10-3-10-1； 波导沿y尺寸大（不受限）， 理论：平板波导结构和n分布沿y不变 光在膜，衬底及包层界面全反射，膜内锯齿形光路传播。 沿z传播，x受限，y不受限。 4-1光在介质分界面上反射与折射 4-2介质平板上光波导射线分析方法 4-3平板波导电磁理论 4-4矩形介质波导基本概念 4-5光纤中射线分析 4-6光纤中电磁波模式理论 4-7光纤损耗与色散 4-8光波导装置与应用 一、平板波导的模式 二、导模的特点与模方程 三、导模的截止 四、渐变折射率平板波导 y z x d ?1 n2 n1 n3 衬底 薄膜 敷层 n1 n2 n3 平板波导： 衬底和包层材料不同（n不同）——非对称； 两者同——对称型； 讨论：各层材料均匀，非对称。 n： 光下界面全反射临界角： 光上界面全反射临界角: 4-1光在介质分界面上反射与折射 4-2介质平板上光波导射线分析方法 4-3平板波导电磁理论 4-4矩形介质波导基本概念 4-5光纤中射线分析 4-6光纤中电磁波模式理论 4-7光纤损耗与色散 4-8光波导装置与应用 一、平板波导的模式 二、导模的特点与模方程 三、导模的截止 四、渐变折射率平板波导 导波： 膜与下界面平面波全反射临界角?c12 膜与上界面平面波全反射临界角?c13 y z x d ?1 n2 n1 n3 衬底 薄膜 敷层 n1 n2 n3 入射角满足 入射平面波上下界面全反射——导波 4-1光在介质分界面上反射与折射 4-2介质平板上光波导射线分析方法 4-3平板波导电磁理论 4-4矩形介质波导基本概念 4-5光纤中射线分析 4-6光纤