《光波导基本理论》PPT课件.ppt

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1、集成光电子学导论第一章光波导基本理论宋军平面光波导的类型按几何形状划分：平板波导条形波导脊形波导按折射率分布划分：阶跃型渐变型一维受限（平板）和二维受限（条形）波导ZXYYX平面光波导的类型平板波导条形（矩形）波导nhighnlownlownhighnlow脊形波导nhighnlownlow1-d光限制2-d光限制claddingcladdingcorecorecladding阶跃折射率光纤渐变折射率(GRIN)光纤corecladding基本概念回忆：内反射光在玻璃里入射到与空气交接的界面上将发生什么?airglass内反射入射能量分为反

2、射和折射两束：强度满足菲涅尔定律.折射角<90o入射光线反射光线折射光线airglass当入射角很小时内反射入射光线反射光线airglassCC随着入射角,折射角当折射角=90折射光线此时的入射角=临界角C内反射不再有折射光线出现反射光线airglass如果入射角继续,入射光线内反射因此加入入射角>C,光将全部留在玻璃里面.反射光airglass入射光这被称为全内反射.临界角Snell’s折射定律:全内反射：临界角n2n1>n2IncidentlightTransmitted(refracted)lightReflectedligh

3、tktTIREvanescentwavekikr(a)(b)(c)andtotalinternalreflection(TIR).[2.1-4]Criticalangle思考：一只鱼或一个潜水员在水下仰望天空，大概是什么样的？鱼眼看天空water全反射水下的天空为什么图片中天空是这样的totalinternalreflectionheresky(refractionhere)平面波导射线分析光线只有全反射才能在波导里稳定传输n1>n2n2波导内入射角>qc全反射形式稳定传输波导的数值孔径如果将光耦合进入波导稳定传输，那么在空气中的入射角应满

4、足什么条件最大入射角,可以从Snell’s定律求得波导数值孔径数值孔径:集成光电子学构成的基本形式光纤平面光波导平面光波导理论——电磁场分析与射线分析为什么要研究这个问题？能对物理光学、激光原理的一些重要概念有更深入的认识能理解光通信的作用原理是基于光纤波导应用方向，如光纤传感等得以存在的根本所在以下分析过程会不断提问，请紧跟我的思路，理解了整个过程，是掌握以上问题的关键！p-polarization:TME-field平行于入射平面s-polarization:TEE-field垂直于入射平面z-xyq1Hzq2x=0e1e2EyHHxz

5、-xyq1EzExq2x=0e1e2HyE入射偏振态回忆：在电磁场与电磁波的学习中是如何分析图示的平板波导结构的？TE偏振TM偏振思考：中间折射率大，上下折射率小，在这样的平板波导里光场是如何分布的？思考：为什么会有个指数衰减的尾巴？xz0-hx光强0-hE1E2E3正弦余弦振荡指数衰减指数衰减然后使用边界连续条件E、H切向连续D、B法向连续以TE偏振为例：猜想其在Ey分量在x方向的场分布满足什么形式，电磁场才能稳定向z向传播以TE偏振为例思考，E、H切向连续条件怎么用？Ey、Hz在界面处连续连续连续连续n2连续TE偏振的本征方程思考：该式

6、是否可以化简成一个更简明的形式？思考：该方程中各字母的物理意义是相位的单位1、2界面反射时产生的相位1、3界面反射时产生的相位K为x方向的波矢思考：光在1、2和1、3表面全反射时分别产生了一个附加相位，为什么？思考：全反射时相位是否会发生改变？从射线光学角度重新分析TE偏振的本征方程入射角对反射系数相位的影响光疏光密光密光疏思考：全反射时发生的相位变化大小怎么求？只要想到反射折射的大小变化，首先想到菲涅尔公式当全反射发生时根号为虚数，因此此时的反射系数为一复数思考：κ和β分别具有什么物理意义？思考：全反射时的相位变化究竟怎么产生的？思考

7、：光在传输过程里如何产生相位变化？相位不存在突变之说，相位的产生途径只有一个，即传输一段距离，即相位变化源自于思考：从以上分析可以得到什么必然结论？全反射时，光不是于入射点终止，而是前进了一段又回来了古斯汉欣(Goos-Hanchen)位移在全反射发生时，实际入射光会部分进入光疏介质，形式上相当于反射点相对入射点有个偏移距离古斯汉欣位移思考：这个位移Δ究竟有多大呢？TM偏振的本征方程前面讨论都是由电磁场理论，对TE偏振求解获得的，对TM偏振也可以获得类似的解思考：和TE偏振相比，上式有何区别？思考：为什么光纤由芯层和包层组成，只有芯层行不行

8、？根据以上知识猜测光纤传感及集成生物检测芯片的物理原理光在光纤中传输时，感测外界环境变化对光的强度,波长,频率,相位,偏振态等光学性质的变化的影响思考：下面的光栅主要损耗来源n1