《光波导理论及器》PPT课件.ppt

六. 光波导理论及器件基础,1,光波导的概念,光纤、平面薄膜、窄条 对光辐射实施限制和传输的技术 研究方法：射线理论、电磁场理论 研究内容：光波导中光的传播行为、传导模式、传输特性,2,平板波导,射线光学：直观、近似 光线在介质界面发生反射和折射 发生全反射 光被限制在第1介质内，全反射可用于限制光的传输,3,电磁理论：复杂、完善,平板波导,4,覆盖层：通常为空气， 涂层：介质薄膜，mm量级，也称薄膜波导 基质：玻璃,对称平板波导,非对称平板波导,空气,平板波导结构中可能存在的几种波,5,辐射波（辐射模）,基质辐射波（基质模）,传导波（传导模）,平板介质波导中的导波,x：横向约束 y：均匀 z：传播 引入 沿z方向的传播常数 则,6,导波有效折射率N,z方向最大传播常数,全反射：反射率为1，没有能流进入基质。实际上，存在倏逝波，沿x方向迅速衰减，z方向存在位移。,古斯-汉森位移和波导层的有效厚度-波导中的光能流问题,7,TE模（纵向电场分量为0） TM模（纵向磁场分量为0）,古斯-汉森位移,界面处光线传播常数或入射角发生漂移,古斯-汉森位移和波导层的有效厚度-波导中的光能流问题,有效波导层厚度,8,平板波导的电磁理论基础,对光学现象的完善描述需借助电磁理论分析 不存在自由电荷和传导电流时 直角坐标系中 若麦克斯韦方程组具有随时间周期变化的解，可表示为,9,介质中 同时,10,没有自由电荷和传导电流时电磁空间分量的麦克斯韦方程组,=,平板波导中的麦克斯韦方程组 导波沿z传播，则横向分量 波导y方向无限大，不受限制，E、H在y方向不变，则,11,没有自由电荷和传导电流，无其它条件,12,TE波：只存在电场横向分量 令 则TE波中，仅剩 且 TE波中的所有电磁分量均由 决定，满足常系数二阶微分方程 对于平板波导的三个层,13,同样,从而 各层中 场不能无限大，故,14,三层中三个分量的表达式全部获得，利用了横电特性 及三层介质中光传播特性 需求解A、B、A2、A3系数，利用边界条件 电场 磁场 只剩下A，设x=0处，Ey(0)=E0,15,边界面上，电磁场切向分量连续,各层的全部非0场分量为： 基底层（x0 ）：,16,TE波的模和截止条件 根据x=-d处连续条件 方程的解为一组值，对应于TE波的本征模。,17,介质波导本征值方程：关于传播常数的超越方程,正整数模数,对称波导：,18,对称模,反对称模,图中圆弧半径由光波传播常数即频率决定： 0半径/2: 单个解A，对称模 /2 半径: 两个解A、B，对称模，反对称模 半径3/2: 三个解A、B，两对称模，一反对称模,19,低频区（大，k小）：单模，关于-d/2对称，电场在波导层内余弦变化，波导层外指数衰减，至少单模。 频率升高：场向波导层中央集中，一定程度时出现反对称解，形成双模传播。,对称单模传播,双模传播,截止条件 临界条件时，发生全反射， 对应截止条件，对称模 反对称模 所有模截止条件为： 实际上 截止条件时：,20,波导的V值,判断导波模数，