第4章 集成光波导 3-4.ppt

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1、§4.1电介质平板波导§4.2对称平板波导中的模式§4.3非对称平板波导中的模式§4.4波导的耦合§4.5平板波导的色散和失真§4.6集成光器件§4.7总结和讨论第4章集成光波导dn3n2n1zyExample:Letn1=2.29ZnS(zincsulfide)n2=1.5glassn3=1.0air§4.3非对称平板波导中的模式在集成光路中，非对称平板波导结构得到普遍使用。以在玻璃衬底上的硫化锌(ZnS)中心薄膜为例。dn3n2n1zyExample:Letn1=2.29ZnS(zincsulfide)n2=1.5glassn3=1.0airn1=2.29是λ=1.0

2、6μm时的折射率。当λ在0.6μm~1.4μm范围内变化时，n1从2.37减小到2.28。ZnS与空气界面的临界角θc=arcsin(1/2.29)=25.9°；在与玻璃的界面上，θc=arcsin(1.5/2.29)=41°。因此ZnS中心薄膜可以约束41°~90°之间的入射光线。由(4.7)可得非对称平板波导的等效折射率为注意：最低阶模(TE0)的截止不在零厚度，而对于对称平板波导，在零厚度时才截止。ModeChart:neffandqvs.d/lTE0TM0d/lneffq如图d/λ<0.05，波导中将不再有传输模式存在，整个波导处于完全截止状态。MODESINTH

3、EASYMMETRICWAVEGUIDETrulysinglemodeTE0operationisassuredifd/issmallenough.Inthisexample,thesingle-modecutoffisat:Nopropagationatalloccursif注意：相同序数的TE模与TM模不是简并模。如果TM0模截止，TE0模不截止，就是真正的单模波导。如图，当d/λ<0.12时，TM0模截止。即波长为1μm时，单模ZnS平板波导的厚度应小于0.12μm。集成光路通常是单模、非对称结构的。图4.8非对称平板波导的模式图（n1=2.29，n2=1.5,n

4、3=1.0)非对称平板波导的模式场分布与对称波导相似。模阶数m仍然代表横平面内场函数的零点个数。波导结构的非对称性导致在两个边界上具有不同的幅度，衰减速度也不相同。图4.9非对称平板波导中的横模场分布图n2=1.5，n1=2.29，n3=1.0n2n2n1dLightsource4.4.1EdgeCouplingProblems1.)Sourcemustbesmallerthanthefilm(d1m).2.)Theemittedraysmustmatchmodeangles.3.)Lightemittedbeyondthecriticalanglewillnotpr

5、opagate.§4.4非对称平板波导中的模式EdgeCouplingn2n2n1EdgeCoupling10Findtherelationshipbetween0and.Snell'sLawn1n2cAtthecriticalangleThen(4.20)Theincidentrayanglethatresultsinaninternalrayatthecriticalangleisthusfoundfrom:whereaoisnowthemaximumacceptanceangle.Itisthemaximumincidentrayanglethatres

6、ultsinatrappedray.Sothat(4.21)(4.21)Fortheslabwaveguide,thenRecallthatthenumericalapertureisdefinedintermsoftheacceptanceangleas:Thisresultisalsovalidforthestep-indexfiber.Definethefractionalrefractiveindexchangeas:Assumethatn1andn2arenearlyequal.ThenFinallysothatallthesourcepowercontaine

7、dwithintheNAofthewaveguidewillbeaccepted.Forlargevaluesofd/l,therearealargenumberofmodes.Theallowedrayanglesfilltheentirerange:参考模式图，当归一化厚度比较小时，只存在很少的几个模式，且对应的传输角间隔比较大。入射角必须与这些角度相匹配才能较好耦合。对于支持很多模式的波导，这些分散的可传播角间隔很小。如果d/λ足够大、这些角度会变得非常接近，可近似认为连续，从而使θc到90°之间的角度都可以传播。在这种