光纤通信原理.ppt

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1、第二章介质薄膜波导第二章介质薄膜波导本章内容薄膜波导结构薄膜波导中的波射线法导波分析第一节薄膜波导结构折射系数n一般n1>n2>n3对称式n2=n3敷层覆盖层d薄膜波导结构波导厚度d：1－10um（光通信）波导宽度W：1－2cm（光通信）W》λW各种波导结构第二节薄膜波导中的波入射角θ不同的光线在介质波导交界面因折射率不同会发生反射和折射。由此产生三种波形：导波、辐射模（衬底、敷层）一.导波导波形成条件—满足全反射条件θc12=sin-1(n2/n1)(2-1)θc13=sin-1(n3/n1)(2-1)一般

2、情况下n1>n2>n3，上下界面发生全反射→无损耗传播→形成导波导波形成条件：对入射角的要求90。>θ>θc12二.衬底辐射模形成条件：θ<θc12现象：部分反射（继续传播）、部分辐射（折射）入衬底形成衬底辐射模（损耗）θc12>θc13，敷层（上界面）仍可能满足全反射条件注意三、敷层辐射模形成条件：θ<θc13(上下界面皆不满足全反射条件）现象：在上下界面都发生部分反射（继续传播）、部分辐射（折射）入敷层/衬底形成敷层/衬底辐射模（损耗）第三节薄膜波导中导波的射线法分析适用条件：波导尺寸远大于光波长以沿光传

3、播方向的几何射线表示光波。具体定义：波导中传播的光波视为均匀平面波在介质分界面全反射形成。横电磁波(TEM波)在波传播的方向上没有电场或磁场分量，即电场和磁场垂直于电场传播方向；TEM波一、薄膜平面波导中导波的形式横电波(TE波)TE波（横电波）在波传播的方向上有磁场分量，但没有电场分量，即电场垂直于电场传播方向；光波传播方向上没有电场分量，只有磁场分量。电场分量在那里？→垂直于光波传播方向的横截面TE波横磁波(TM波):在波传播的方向上有电场分量，但没有磁场分量，即磁场垂直于电场传播方向；TM波均匀平面波对

4、分界面的斜入射电磁波垂直入射时，电场和磁场总是平行分界面的。斜入射时，传播方向与分界面法向不平行，电场或磁场可能与分界面不平行。yxE∥EiE⊥k入射角i入射面分界面介质2介质1入射方向z几个重要概念入射面：入射射线与分界面法线构成的平面。入射角：入射射线与分界面法线夹角。水平极化波在介质分界面的斜入射xeini分界面21ziteretHiEiErHrEtHt水平极化入射：入射波电场方向平行于入射面的入射方式。相位差水平极化波在薄膜波导上下界面全反射，叠加后形成驻波－TE波qqfTEcossin2j1

5、2ntg-=nj1=nj/n1垂直极化波在介质分界面的斜入射xeini分界面21ziteretHiEiErHrHtEt垂直极化入射：入射波电场方向垂直于入射面的入射方式。nj1=nj/n1相位差qqfTMcossin2j12ntg-=2j1n垂直极化波在薄膜波导上下界面全反射，叠加后形成驻波－TM波全反射相移*费涅尔定律：TE/TM波振幅反射系数内全反射：rTE=exp(ifTE),rTM=exp(ifTM)薄膜波导中导波形成条件薄膜波导中导波形成条件即约束光线条件：上界面全反射：q13>qc13=ar

6、csin(n3/n1)下界面全反射：q12>qc12=arcsin(n2/n1)相位匹配：上下两次反射经历相移为2p整数倍光程相移附加相移：Df=fD-2f12-2f13光程相移：fD=2n1k0dcosq全反射相移：2f12,2f133注意：入射光波模式不同（TEorTM），相应当全反射相移不同光波沿光纤波导传播，波的相位变化则因波在波导材料中传播并在边界上反射而产生导波的特征方程（本征值方程）Df=fD-2f12-2f13=2mp2n1k0dcosq-2f12-2f13=2mp当波导参数确定：n1、n2、

7、n3、d入射光波波长λ确定只有入射角q满足全反射条件和特征方程的光波才能在薄膜波导中形成横向谐振的驻波，向前传输－－导波K0＝2π/λ0真空中的波数特征方程物理意义n1k0cosq＝k1cosq=k1χ2k1χd-2f12-2f13=2mp横向相位变化导波横向场因全反射往返一次，总相位变化为2π的整数倍时，才能形成谐振的驻波形式。导波模式满足全反射条件和特征方程度光波才能形成导波TE、TM的全反射相移是不同的，特征方程也就不同，形成导波的θ也不同。m为整数，m＝0，1，2，…，对应不同的波形（模式）上述因素综

8、合起来就是各个不同的导波模式模式：能够独立存在（在波导结构中能长期传播）的电磁波的结构形式模式的基本特征----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的表征。给定的波导中能够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