光波导的几何光学分析.pptVIP

束缚光线和折射光线的分界线是刚好达到芯层与敷层的分界面的路径，即：。束缚光线：折射光线：芯层折射率从中心向两边单调下降的波导，与芯层折射率均匀的波导比较，前者的时延差会在一定程度上减小。01原因：折返点大的光线尽管所走的路程较长，但它部分的进入了芯层的边缘，那里的折射率较小，光的传播速度就要快些；沿波导中心附近传播的光线尽管所走的距离短些，但此处折射率较大，传播速度要慢，从而缩小了各条光线之间的传播时延差。02缩短的程度取决于芯层折射率分布函数，如果芯层折射率按双曲正割函数分布，则所有各条束缚光线的传播时延相等，时延差为0。03传播时延及时延差光纤中光线的传播子午光线：限制在子午平面内传播的光线与光轴相交倾斜光线：轨迹曲线不限制在一个平面内不过光轴光线分类子午平面子午光线：均匀折射率分布折射率分布:光线轨迹:限制在子午平面内传播的锯齿形折线。光纤端面投影线是过圆心交于纤壁的直线。导光条件:临界角:数值孔径:定义光纤数值孔径NA为入射媒质折射率与最大入射角的正弦值之积,即相对折射率差:约束光折射光:n1n2010203040506渐变折射率分布：光线轨迹:限制在子午平面内传播的周期曲线。轨迹曲线在光纤端面投影线仍是过圆心的直线，但一般不与纤壁相交。广义折射定律:局部数值孔径:定义局部数值孔径NA(r)为入射点媒质折射率与该点最大入射角的正弦值之积,即外散焦面:光线转折点(rip)的集合导光条件:子午光线：渐变折射率分布光线轨迹：(螺旋折线)01临界角：02三类光线：约束光：折射光：隧道光：03倾斜光线：均匀折射率分布第一部分：光波导的几何光学分析绪论“导光”的古老历史“光纤之父”----高锟博士光波导技术的迅猛发展光波导的基本概念光波导的主要种类光波导的一般理论光波导的进一步分类模式的概念广阔的应用领域211854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；中国古代烽火台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；3“导光”的古老历史“光纤之父”----高锟博士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。1970年,康宁玻璃公司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，相关的应用产业日新月异地蓬勃发展。光波导技术的迅猛发展导波光：受到约束的光波光波导：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基本概念薄膜波导（平板波导）矩形波导（条形波导）圆柱波导（光纤）光波导的主要种类平板波导脊型波导沟道波导平面掩埋沟道波导矩形波导单模：8~10um01多模：50um02125um03圆柱波导:光导纤维光波导的一般理论通过麦克斯韦方程组，经过一系列合理的简化，可以得出描述光波导满足的标量Helmholtz方程：在推导的过程中，可以看到：影响光波导传输特性的，主要是折射率的空间分布。其中代表和在直角坐标系中的各个分量。光波导的进一步分类可根据折射率的空间分布，将光波导分类为：光波导正规光波导非正规光波导（纵向均匀）（纵向非均匀）横向分层均匀的光波导（均匀光波导）横向非均匀的光波导（非均匀光波导）缓变光波导迅变光波导突变光波导不同类型的光波导相应于求解不同类型的微分方程。对于光纤，还应注意结构的特征：纵向（光纤的轴向，即光传输的方向）和横向的差别，这是光纤的基本特征。这个基本特征决定了光纤中纵向和横向场解的不同。对于正规光波导，它表现出明显的导光性质，而由正规光波导引出的模式的概念，则是光波导理论中最基本的概念。1正规光波导是指折射率分布沿纵向不变，数学描述为：2模式的概念模式的概念logo从而光场可表示为分离的形式：式中为相移常数，也称为传播常数；和都是复矢量，有幅度、相位和方向，表示了和沿光纤横截面的分布，称为模式场。01根据偏微分