电动力学7-1课件

光波导技术

任课教授：刘德明

（光电子工程系）光波导的基本概念导波光：受到约束的光波光波导：约束光波传输的媒介介质光波导三要素：“芯/包”结构凸形折射率分布，n1>n2低传输损耗光波导的分类薄膜波导（平板波导）矩形波导（条形波导）园柱波导（光纤）对称与非对称波导矩形波导脊型波导沟道波导平面掩埋沟道波导园柱波导:光导纤维单模：8~10mm多模：50mm125mm光波导的进一步分类按折射率分布：均匀折射率分布光波导；渐变折射率分布光波导按传播模式：单模光波导；多模光波导按材料：石英、塑料与红外光波导、III-V族材料光波导特种光波导（光纤）：保偏(单偏振)光纤；有源光纤；晶体光纤零/非零色散位移光纤；负色散光纤；特殊涂层光纤；耐辐射光纤；发光光纤集成光学导波光学：研究波导的导波特性集成光路:功能元件集成PIC:PhotonIntegratedCircuit

OEIC:OptoelectronicIntegratedCircuitMCVD:ModifiedchemicalvapordepositMOCVD:MetalOxidechemicalvapourdepositMBE:MolecularBeamEpitaxyLPE:LiquidPhaseEpitaxyPCVD:Plasmonchemicalvapourdeposit光波导技术的广阔应用领域光波导技术有源无源器件光纤通信干线光交换接入网AONDWDMOADMOTDMFTTC,B,O,H

位移、振动温度、压力应变、应力电流、电压电场、磁场流量、浓度可以测量70多个物理化学量广告显示牌激光手术刀仪表照明工艺装饰电力输送光纤面板医用内窥镜潜望镜

光子集成光电子集成集成光路光收发模块光接入模块光开关模块光放大模块信息获取信息传输信息处理其它应用“光谷”：信息产业新的经济增长点许其贞委员于2000年3月在全国政协会议提案：建立“武汉中国光谷”美国1998年5月以亚利桑那大学为中心建立了“美国光谷”法国1999年以Alcatel为依托建立法国光谷广东省将建立“广东光谷”长春建设“长春光谷”北京、重庆、上海、合肥都在建光谷。建设规划面积：50平方公里地域：东至外环线、南至汤逊湖北岸 西至珞狮路、北至东湖南岸

特征：三湖（东湖、南湖、汤逊湖） 六山（珞枷山、南望山、伏虎山 喻家山、马鞍山、九峰山）区划：科研区、商贸区、居住区、管理区人口：40-60万经济：750亿元（光电子600亿、生物150亿）软件产业CAD/CAM/CAPP/CIMSGPS/GIS/RS信息安全技术软件地理信息系统与数字城市管理信息系统网络教育软件消费光电子光存储光传感光显示数码相机新型光源信息光电子光纤光缆光通信器件与光集成光通信系统设备IP网络及设备移动通信系统及设备课程内容光波如何进入光波导？（模式的激励）光波在光波导中如何传播？(模式分布)光波导的基本特征参数及测试技术光波导耦合技术光波导有源与无源器件光波导中的非线性效应光波导传感技术光波导集成技术参考书目《导波光学》范崇澄、彭吉虎《光纤光学》刘德明、向清、黄德修《光纤技术及其应用》刘德明、向清、黄德修《介质光波导理论》D.Marcuse,刘弘度译“OpticalWaveguideTheory”SnyderAW，LoveJ.

“Understandfiber-opticalcommunication”分析思路麦克斯韦方程分离变量电矢量与磁矢量分离:可得到只与电场强度E(x,y,z,t)有关的方程式及只与磁场强度H(x,y,z,t)有关的方程式；时、空坐标分离:亥姆霍兹方程，是关于E(x,y,z)和H(x,y,z)的方程式；空间坐标纵、横分离：波导场方程，是关于E(x,y)和H(x,y)的方程式；边界条件：在两种介质交界面上电磁场矢量的E(x,y)和H(x,y)切向分量要连续。 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模式的固有性质。模式场分量与纵横关系式 模式的场矢量E(x,y)和H(x,y)具有六个场分量:Ex、Ey、Ez和Hx、Hy、Hz(或Er、Eφ、Ez和Hr,Hφ,Hz)。只有当这六个场分量全部求出方可认为模式的场分布唯一确定。但实际上这并不必要。因为场的横向分量可由纵向分量Ez和Hz来表示. （见（1.2.25）-（1.2.32）式）模式命名根据场的纵向分量Ez和Hz的存在与否,可将模式命名为:(1)横电磁模(TEM):Ez＝Hz＝0;(2)横电模(TE): Ez＝0,Hz≠0;(3)横磁模(TM): Ez≠0,Hz＝0;(4)混杂模(HE或EH):Ez≠0,Hz≠0。光纤中存在的模式多数为HE(EH)模,有时也出现TE(TM)模。射线方程物理意义：将光线轨迹(由r描述)和空间折射率分布(n)联系起来;

由光线方程可以直接求出光线轨迹表达式;

dr/dS是光线切向斜率,对于均匀波导，n为常数,光线以直线形式传播;对于渐变波导,n是r的函数,则dr/dS为一变量,

这表明光线将发生弯曲。而且可以证明,光线总是向折射率高的区域弯曲。典型光线传播轨迹光线分类子午光线：限制在子午平面内传播的光线与光轴相交倾斜光线：轨迹曲线不限制在一个平面内不过光轴子午平面子午光线：均匀折射率分布折射率分布:光线轨迹:限制在子午平面内传播的锯齿形折线。光纤端面投影