光波导-绪论.ppt

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1、光波导技术任课教授：刘德明（光电子工程系）（光电子工程系）1.1 1.1 绪论绪论l“导光”的古老历史l“光纤之父”-高锟博士l光纤技术的迅猛发展l光波导的基本概念l光波导的分类l广阔的应用领域“导光”的古老历史 l1854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；l1929-1930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；l中国古代烽火台“光纤之父”-高锟博士 l1966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

2、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 l1970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；l经过近30年的发展，光纤的损耗已经降至0.2dB/km(单模光纤）；l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

3、”结构凸形折射率分布，n1n2低传输损耗光波导的分类光波导的分类薄膜波导（平板波导）矩形波导（条形波导）园柱波导（光纤）对称与非对称波导平板波导平板波导矩形波导矩形波导脊型波导沟道波导平面掩埋沟道波导园柱波导园柱波导:光导纤维光导纤维单模：8 10mm多模：50mm125mm光波导的进一步分类光波导的进一步分类l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l按传播模式：单模光波导；多模光波导l按材料：石英、塑料与红外光波导、III-V族材料光波导l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；发光光纤对称对称/

4、非对称波导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集成光学集成光学导波光学：研究波导的导波特性集成光路:功能元件集成PIC:Photon Integrated Circuit OEIC:Optoelectronic Integrated CircuitMCVD:Modified chemical vapor depositMOCVD:Modified outside CVDMBE:Molecular Beam EpitaxyLPE:Liquid Phase Epitaxy光波导技术的广阔应用领域光波导技术有源无源器件光纤通信干线光交换接入网 AON DW

5、DM OADM OTDM FTTC,B,O,H 位移、振动 温度、压力 应变、应力 电流、电压 电场、磁场 流量、浓度可以测量70 多个物理化学量 广告显示牌 激光手术刀 仪表照明 工艺装饰 电力输送 光纤面板 医用内窥镜 潜望镜 光子集成 光电子集成 集成光路 光收发模块 光接入模块 光开关模块 光放大模块信息获取信息传输信息处理其它应用课程内容课程内容l光波如何进入光波导？（模式的激励）l光波在光波导中如何传播？(模式分布)l光波导的基本特征参数及测试技术l光波导耦合技术l光波导有源与无源器件l光波导中的非线性效应l光波导传感技术l光波导集成技术参考书目参考书目l导波光学范崇澄、彭吉虎l光

6、纤光学刘德明、向清、黄德修l光纤技术及其应用刘德明、向清、黄德修l介质光波导理论D.Marcuse,刘弘度译l“Optical Waveguide Theory”Snyder A W，Love J.研究方法研究方法1-2 1-2 几何光学方法几何光学方法 射线方程光线分类光线轨迹：子午光线光线轨迹：倾斜光线射线路径参数射线方程射线方程物理意义：将光线轨迹(由r r描述)和空间折射率分布(n)联系起来;由光线方程可以直接求出光线轨迹表达式;dr r/dS是光线切向斜率,对于均匀波导，n为常数,光线以直 线形式传播;对于渐变波导,n是r r的函数,则dr r/dS为一变量,这表明光线将发生弯曲。而

7、且可以证明,光线总是向折射率 高的区域弯曲。典型光线传播轨迹典型光线传播轨迹光线分类光线分类子午光线：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子午平面子午平面子午光线：子午光线：均匀折射率分布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园心交于纤壁的直线。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:n1n2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园心的直线，但一般不与纤壁相交。广义折射定

8、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：子午光线：渐变折射率分布渐变折射率分布广义折射率定理广义折射率定理作业：1-1 推导射线方程；1-2 证明“光线总是向折射率高的区域弯曲”这一命题1-3 推导渐变折射率分布光纤局部数值孔径表达式倾斜光线：均匀折射率分布倾斜光线：均匀折射率分布光线轨迹：(螺旋折线)临界角：三类光线：约束光：折射光：隧道光：倾斜光线：渐变折射率分布倾斜光线：渐变折射率分布射线方程射线方程分量方程分量方程轴向分量：角向分量：径向分量：drr0dsdzxyz(drdS

9、)|r0sinz(r0)sin(r0)(r ddS)|r0 sinz(r0)cos(r0)(dzdS)|r0 cosz(r0)光线入射条件光线入射条件r0轴向运动轴向运动 分析轴向分量方程:有：n(dz/dS)=const.,令其为 ,则有 n(r)dz/dSn(r)cosz(r)=n(r0)cosz(r0)-第一射线不变量轴向运动特点轴向运动特点相速:Vp/c/恒为常数这说明渐变折射率分布光纤(GIOF)中的光线沿z轴传播的速度恒定不变,与光线的轴向夹角z无关,这是一个与均匀折射率分布光纤(SIOF)完全不同的重要特点(SIOF中不同角度的光线轴向速度不同)作业1-4：证明 Vp/c/角向运

10、动角向运动分析分量方程:有：(r2/a)d/dz (r0/a)n(r0)sinz(r0)cos(r0)-第二射线不变量角向运动特点角向运动特点光线的角动量：r2=r2d/dt=c/2 恒为常数这表明,光线角向运动速度将取决于光线轨迹到纤轴距离r:在最大的r处光线转动最慢;在最小的r处光线转动最快。作业1-5：证明 r2=r2d/dt=c/2 内外散焦面内外散焦面倾斜光线限制在内外散焦面之间传播在内外散焦面，其半径ric和rip是二次方程的两个根：径向运动径向运动分析 r 分量方程:导出：2(dr/dz)2g(r)径向运动特点径向运动特点对于相同r值,dr/dz可正可负,且在z1和z2处分别达到

11、最大和最小(dr/dz0),因此,rz关系曲线关于z1和z2对称并呈周期性振荡光线分类判据光线分类判据判据:当g(r)0时,光线存在;当g(r)0时,为光线禁区；当g(r)=0时,为内外散焦面。约束光线约束光线条件:n2n(r0)cosz(r0)n1光线存在区域:ric r rip折射光线折射光线条件:0 n(r0)cosz(r0)ric隧道光线隧道光线条件:n2 n(r0)cosz(r0)n22(r02/a2)n2(r0)sin2z(r0)cos2(r0)光线存在区域:ric r rrad辐射散焦面半径:射线路径参数射线路径参数（表（表1-2-1，表，表1-2-2）几何路径光程射线半周期光线

12、渡越时间1-3 1-3 波动光学方法波动光学方法波动理论是一种比几何光学方法更为严格的分析方法,其严格性在于:(1)从光波的本质特性电磁波出发,通过求解电磁波所遵从的麦克斯韦方程,导出电磁场的场分布,具有理论上的严谨性;(2)未作任何前提近似,因此适用于各种折射率分布的单模光和多模光波导。麦克斯韦方程麦克斯韦方程分离变量分离变量电矢量与磁矢量分离:可得到只与电场强度E(x,y,z,t)有关的方程式及只与磁场强度H(x,y,z,t)有关的方程式；时、空坐标分离:亥姆霍兹方程，是关于E(x,y,z)和H(x,y,z)的方程式；空间坐标纵、横分离：波导场方程，是关于E(x,y)和H(x,y)的方程式

13、；边界条件：在两种介质交界面上电磁场矢量的E(x,y)和H(x,y)切向分量要连续。波导场方程波导场方程 c2w2em-b2n2 k02-b2 b=n(r)k0cosqz波导场方程：是波动光学方法的最基本方程。它是一个典型的本征方程,其本征值为c或。当给定波导的边界条件时,求解波导场方程可得本征解及相应的本征值。通常将本征解定义为“模式”.模式的基本特征模式的基本特征-每一个模式对应于沿光波导轴向传播的一种电磁波;-每一个模式对应于某一本征值并满足全部边界条件;-模式具有确定的相速群速和横场分布.-模式是波导结构的固有电磁共振属性模式是波导结构的固有电磁共振属性的表征。的表征。给定的波导中能够

14、存在的模式及其性质是已确定了的,外界激励源只能激励起光波导中允许存在的模式而不会改变模式的固有性质。模式场分量与纵横关系式模式场分量与纵横关系式模式的场矢量E(x,y)和H(x,y)具有六个场分量:Ex、Ey、Ez和Hx、Hy、Hz(或Er、E、Ez和Hr,H,Hz)。只有当这六个场分量全部求出方可认为模式的场分布唯一确定。但实际上这并不必要。因为场的横向分量可由纵向分量Ez和Hz来表示.（见（1-3-6）-（1-3-9）式）模式命名模式命名根据场的纵向分量Ez和Hz的存在与否,可将模式命名为:(1)横电磁模(TEM):EzHz0;(2)横电模(TE):Ez0,Hz0;(3)横磁模(TM):E

15、z0,Hz0;(4)混杂模(HE或EH):Ez0,Hz0。光纤中存在的模式多数为HE(EH)模,有时也出现TE(TM)模。1-4 1-4 电磁波在界面上的反射电磁波在界面上的反射Snell定律：n1sinqi=n2sinqt;qi=qr费涅尔定律:(1-4-10a,b)布儒斯特角:qiB=arctg(n2/n1);RTM=0全内反射角:qic=arcsin(n2/n1);R=1消逝场:纵向为行波；横向为指数衰减古斯-汉欣位移:光束在两介质交界面上反射，其反射点不在界面，而是在界面外Dx处。1-5 1-5 模式的基本性质模式的基本性质当采用波动理论来分析光波在光纤中的传输时,须求解波导场方程。其

16、方法是首先求出纵向场分量Ez和Hz,然后利用纵横关系式(1-3-6)(1-3-9)求出场的横向分量。在园柱坐标系中,Ez和Hz满足的波导场方程为：分离变量分离变量 代入波导场方程得到：模式分类判据模式分类判据当G2(r)0时为正弦函数形式,对应于“驻波场”或“传播场”;当G2(r)0 时为衰减指数形式,对应于“衰减场”或“消逝场”。在传播场与消逝场的交界处,有 G2(r)0,导模导模存在条件：n2k0n1k0场分布特点:在rg1rrg2的区域内为传播场;在其它区域内为消逝场。因此导模被限制在rg1rrg2的园筒内向前传播。对于SIOF,rg2a,对于GIOF,rg2a;对于TE模或TM模(0,

17、与子午光线对应),rg10;对于EH模或HE模(与偏斜光线对应)，rg10。漏模漏模存在条件：n22k02(n21/4)a2 n2k0场分布特点:在r1rr2的区域以及rr3的区域均为传播场;在其它区域为消逝场。这时,原来限制在纤芯内传播的导模功率透过r2rr3的隧道泄漏到包层之中,故又称为“隧道模”。由于包层材料具有较大损耗,这就引起了传输损耗辐射模辐射模存在条件：0rr1的所有区域均为传播场。这时,光能量直接地、不受阻挡地向包层中辐射并被损耗掉,光纤已经完全失去了波导约束模式功率的作用。很明显,辐射模,是一种不受约束的模式。两种方法的比较两种方法的比较传播常数：导模：约束光线漏模：隧道光线辐射模：折射光线TE/TM模：子午光线HE/EH模：倾斜光线芯区：c为实数包层：c为纯虚数传播常数传播常数b：z方向单位长度位相变化率 波矢量k k的z-分量bk k=n(r)k k0zqzc归一化工作参数归一化工作参数归一化工作频率：归一化横向传播常数：归一化横向衰减常数：有效折射率：neff=b/k0归一化工作参数：1-9 1-9 本地平面波方法本地平面波方法光的传播：由波矢k决定横向谐振：波矢横向分量在一个周期内的积分值应是2p的整数倍复习思考题复习思考题1-1，1-2，1-3，1-4，1-5，1-61-8，1-9，1-11，1-12，1-13