《光电子技术基础》第4章光波导技术基础.pptx

第4章 光波导技术基础;主要内容;光波导技术基础;传统光学传输介质: 空气 ，+透镜、棱镜、光栅 长距离传输：存在水吸收、微粒散射，光学元件菲涅尔反射等 气体透镜：将圆管中充满清洁的空气，四周加热，调整气体流速以保持层流, 用气体温差构成气体透镜，使通过的光向中心汇聚，不致耗散，但难实现。 介质光波导：可以用来引导光按需要的路径传播，并且损耗可以做到很小， 分类：平面（薄膜）介质波导、条形介质波导和圆柱形介质波导。;光波导技术基础;渐变折射率光纤 专利：1963年，日本的西呎等人申请 产品：1968年，日本玻璃板公司研制。 1970年，美国Corning公司研制出20dB/km的低损耗光纤，开始光纤通信产业化。 ;学习重点： 平面波导：结构最为简单、直观与精练，便于建立清晰概念 光 纤：应用最广光波导，并且是典型的柱面结构。 电磁场分布特性： 芯区：集中 衬底与覆盖层：紧贴着芯区，沿芯区底外法线方向场指数衰减。 ;条件： 光波导：无源、无荷、线性、均匀、各向同性、不导电、无损介质界面 入射光：均匀平面波 过程：全反射 结果：沿界面方向传播的非均匀平面波： 光密介质中，波场沿界面法向按驻波分布——导引波 光疏介质中，波场沿界面法向按指数衰减分布——消逝波;4.1平面介质光波导中的光传播与导引波、消逝波、波导 ;4.1.1 光在介质界面的传播特性;4.1.2 光密媒质中的波场——导波 ;4.1.2 光密媒质中的波场——导波;(1)合成场的等相位面(z为常数)垂直于波传播方向，等振幅面(x为常数)平行于界面，二者互相垂直，因而属非均匀平面波。;4.1.2 光密媒质中的波场——导波;4.1.3 光疏媒质中的场——消逝波 ;4.1.3 光疏媒质中的场——消逝波;4.1.3 光疏媒质中的场——消逝波;4.2平面介质光波导中光导模的几何光学分析 ; 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 且 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：;4.2平面介质光波导中光导模的几何光学分析;平板波导中的导模及其场分布 ;4.2平面介质光波导中光导模的几何光学分析 ;4.2平面介质光波导中光导模的几何光学分析;(2);(1) (即全反射);传播常数 ;4.3平面介质光波导中光导波的物理光学分析 ;4.4 光纤——圆柱介质光波导;1. 按折射率变化分： a. 阶跃折射率光纤 b. 渐变折射率光纤;光纤的分类：;4.4.2 光纤的结构参数 ;于是得;;(3)相对折射率Δ;;纤芯折射率分布通式为：;4.5 光纤中光导波的线光学分析 ;4.5.2 偏射光 ;两散焦面之间光波按驻波分布，其外场沿径向按指数衰减。 入射角 越大，内焦面越逼近外焦面， 时两焦面重合，光纤端面光线入射面与圆柱面相切，光纤中的传导光线为一条与圆柱面相切的螺线。;PP′、QQ′平行于OO′，交端面圆周于P′、Q′，AP与PP′(即与轴线)交角为 ，称为折射角(又称轴线角)；AP与端面夹角 ；入射面与子午面夹角为γ， 为AP在界面的入射角，则;; 为偏射光线m阶模式的最大允许入射角，而 为子午光线m阶模式的最大允许入射角。由于 ，因而 ，可见满足 时, 可依γ 的取值不同而取到直到 的值：γ＝0时， 取最小值 ；而 时， 为 。因而 对 没有限制。但是否 的光都能形成光导波，还要受 取值的限制。也就是说 的光线中，只有某部分 相应的光线才能形成导波。;;;;4.7光纤色散与脉冲展宽 ;4.7光纤色散与脉冲展宽 ;4.7.1 脉冲展宽的傅里叶分析 ;4.7.1 脉冲展宽的傅里叶分析;一个是相速度 ，表征光纤中某一导模的等相面移动速度； ;称为