光电子课件和光学功能材料-第十讲

2023/2/71光电子学

2§4-1光辐射的电磁理论§4-2光辐射在大气中的传播§4-3光辐射在水中的传播§4-4光辐射在电光晶体中的传播§4-5光波在声光晶体中的传播§4-6光波在磁光介质中的传播§4-7光波在光纤中的传播本章介绍1晶体的旋光现象2磁光效应——法拉第效应3磁光效应的应用一、旋光现象1.自然旋光2.磁致旋光2/7/2023一、旋光现象1.自然旋光：当线偏振光沿光轴方向通过某些天然介质时，它的偏振面会发生旋转。α

—旋光率旋转的角度：φ旋光物质L冰洲石晶体无旋光现象石英旋光现象图

旋光现象

对于具有旋光特性的溶液，光振动方向旋转的角度还与溶液的浓度成正比，式中,α称为溶液的比旋光率；c为溶液浓度。

在实际应用中,可以根据光振动方向转过的角度,确定该溶液的浓度。θ=αcl

实验发现，不同旋光介质光振动矢量的旋转方向可能不同，并因此将旋光介质分为左旋和右旋。当对着光线观察时，使光振动矢量顺时针旋转的介质叫右旋光介质，逆时针旋转的介质叫左旋光介质。2/7/20232.磁致旋光:磁场作用下表现出的旋光特性φL磁致旋光物质B旋转的角度：

V——费德尔常量，单位：弧度/米特斯拉，L-——光在介质中传播长度；B——平行于传播方向的磁感应强度分量；2/7/2023(1)对自然旋光物质，振动面的左旋或右旋是由旋光物质本身决定的。反射镜入射光φ右旋2/7/2023反射镜入射光φ右旋B(2)对磁致旋光物质，光沿与逆方向传播，振动面旋向与磁场的方向有关。φ反射镜反射光φ左旋Bφ

磁致旋光效应的旋转方向仅与磁场方向有关，而与光线传播方向的正逆无关，这是磁致旋光现象与晶体的自然旋光现象不同之处。但通过磁光介质时，只要磁场方向不变，旋转角都朝一个方向增加，此现象表明磁致旋光效应是一个不可逆的光学过程，因而可利用来制成光学隔离器或单通光闸等器件。如何解释磁致旋光现象？2/7/2023

当光波通过磁化的物体(磁性物质）时，光的传播特性将发生变化，这种现象称为磁光效应。磁光效应包括法拉第旋转效应、克尔效应、磁双折射效应等。其中最主要的是法拉第旋转效应，它使一束线偏振光在外加磁场作用下的介质中传播时，其偏振方向发生旋转，其旋转角度的大小与沿光束方向的磁场强度和光在介质中传播的长度之积成正比，即

韦尔德常数表示在单位磁场强度下线偏振光通过单位长度的磁光介质后偏振方向旋转的角度。二、磁光效应1846年，法拉第发现，在磁场的作用下，本来不具有旋光性的介质也产生了旋光性，能够使线偏振光的振动面发生旋转，这就是法拉第效应。观察法拉第效应的装置结构如图所示：将一根玻璃棒的两端抛光，放进螺线管的磁场中，再加上起偏器P1和检偏器P2,让光束通过起偏器后顺着磁场方向通过玻璃棒，光矢量的方向就会旋转，旋转的角度可以用检偏器测量。图法拉第效应2/7/2023EELER·o(a)(b)ERELELRφ非旋光物质旋光物质菲涅耳的解释

线偏振光可看作是同频率、等振幅、有确定相位差的左(L)、右(R)旋圆偏振光的合成。圆偏振光在垂直光传播方向的平面上，只有单一的振动矢量，振动矢量的大小不变，振动方向匀速转动，振动矢量(电矢量)的端点描绘成一个圆形轨迹。圆偏振光可看成是椭圆偏振光的特例，圆偏振光能够分解成两束互相垂直的线偏振光。左旋圆偏振光与右旋圆偏振光2/7/2023在出射面上:由图示，有：令——

旋光率则(b)ERELELRφ2/7/2023（1）光沿磁场方向通过时，振动面右旋。光逆磁场方向传播时，振动面左旋。反射镜入射光φ右旋Bφ反射镜反射光φ左旋Bφ法拉第旋转效应的特点（3）法拉第旋转的用途若：线偏振光返回后无法通过第一个偏振片，成为光隔离器。则:（2）光束一正一反两次通过磁光介质时，振动面转过角度。三、磁光效应的应用P128-130以磁光材料为研究背景的磁光器件是一种非互易性旋光器件，在光信息处理、光纤通信、共用天线光缆电视系统和计算机技术，以及工业、国防、宇航和医学等领域有广泛的应用。磁光器件是指利用材料的磁光效应制作的各类光信息功能器件。

目前已研制出来的磁光器件有：磁光偏转器、磁光开关和调制器、隔离器、环行器、显示器、旋光器、磁强计、磁光盘存储器(可擦除光盘)以及各类磁光传感器等。磁光调制器利用偏振光通过磁光介质发生偏振面旋转来调制光束。磁光调制器有广泛的应用,可作为高灵敏度偏振计。1.磁光调制器原理如图：在没有调制信号时,磁光材料中无外场,输出的光强随起偏器与检偏器光轴之间的夹角变化。在磁光材料外的磁化线圈加上调制的交流信号时,由此产生的交变磁场使光的振动面发生交变旋转。由于法拉第效应,信号电流使光振动面的旋转转化成光的强度调制,出射光以强度变化的形式携带调制信息。在光纤通信、光信息处理和各种测量系统中,都需要有一个稳定的光源,由于系统中不同器件的连接处往往会反射一部分光,一旦这些反射光进入激光源的腔体,会使激光输出不稳定,从而影响了整个系统的正常工作。磁光隔离器就是专为解决这一问题而发展起来的一种磁光非互易器件。普通的磁光隔离器结构如图。其核心部分由两偏振片和法拉第旋光器组合,利用法拉第旋光器的非互易性,使正向传输的光无阻挡地通过,全部排除从器件接点处反射回来的光,从而有效消除激光源的噪声。2.磁光隔离器光隔离器的原理图26§4-1光辐射的电磁理论§4-2光辐射在大气中的传播§4-3光辐射在水中的传播§4-4光辐射在电光晶体中的传播§4-5光波在声光晶体中的传播§4-6光波在磁光介质中的传播§4-7光波在光纤中的传播本章介绍2/7/202327一、光纤的结构二、光纤的分类三、光纤的结构参数四、光在光纤中的传输特性五、光在光纤中的衰减和色散特性主要内容2/7/202328由于石英光纤本身是一种玻璃介质，它的折射率为1.458，所以光波在石英光纤中的传播速度（v=c/n应为2.00×108m/s），要比在空气中传播的慢一些

。

光的折射与反射光波是电磁波，所以光在均匀介质空间是沿着直线传播的。但是当光遇到两种不同介质的交界面时会发生折射和反射。如图所示。补充：光的全反射2/7/202329光的反射和折射2/7/202330光的全反射现象（光密介质光疏介质）2/7/202331光线在阶跃光纤中的全反射图

阶跃型光纤的纤折射率分布是均匀的，它是靠全反射原理将光射线集中在纤芯中沿光纤长度方向传输。光射线在纤芯中的运行轨迹是一条和轴线相交的锯齿线。θc2/7/202332

θc的大小由光纤的包层和纤芯材料的折射率之比来决定。为了使光能在光纤中远距离传输，一定要造成光在光纤中反复发生全反射的条件。实现全反射的条件是：⑴.光纤纤芯的折射率ｎ1一定要大于光纤包层的折射率ｎ2。⑵.进入光纤的光线向纤芯—包层界面入射时，入射角应大于临界角θc。33一、光纤的结构

光纤（光导纤维）是一种能够传输光频电磁波的介质波导，利用光全反射原理将光波约束在其界面内，并引导光波沿着光纤轴线方向传播。它由折射率较高的纤芯、折射率较低的包层和护套三部分组成。纤芯主要成分是二氧化硅SiO2。4.7光波在光纤中的传播护套包层纤芯2a2023/2/734

光纤由纤芯和包层组成.纤芯的折射率高于包层的折射率(通过对光纤掺杂杂质，光纤的折射率改变了).纤芯和包层仅在折射率等参数上不同，结构上是一个完整整体涂覆层的主要作用是为光纤提供保护无论何种光纤，其包层直径都是一致的2/7/202335二、光纤的分类1.按光纤横截面上折射率径向分布的方式分类：

阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤（图4-29）。2.按传输的模式分类：单模光纤和多模光纤。363.按制造光纤的材料分，有：①高纯度熔石英光纤

其特点是材料的光传输损耗低，有的波长可低到0.2dB／km，一般均小于ldB／km；②多组分玻璃纤维

其特点是芯-玻折射率可在较大范围内变化，因而有利于制造大数值孔径的光纤，但材料损耗大，在可见光波段一般为:1dB／m二、光纤的分类2/7/202337③塑料光纤

其特点是成本低，缺点是材料损耗大，温度性能较差；④红外光纤其特点是可透过近红外（1～5μm）或中红外（～10μm）的光波；⑤液芯光纤特点是纤芯为液体，可满足特殊需要；⑥晶体光纤纤芯为晶体，可用于制造各种有源和无源器件。2/7/202338三、光纤的结构参数

1.直径

光纤的直径包括纤芯直径2a和包层直径2b。从成本考虑，光纤的直径应尽量小，从机械强度和柔韧性考虑也应细些，这是因为石英光纤很脆，如果太粗，则很容易折断；但从对接、耦合、损耗等方面考虑，光纤应以粗为宜。综合二者因素，一般光纤的纤芯直径约5-75微米；光纤外面有包层，包层有一层、二层（内包层、外包层）或多层（称为多层结构），但是总直径在100~200微米之间。2/7/202339

2.数值孔径光纤的数值孔径（NA）对光源耦合效率、光纤损耗对微弯的敏感性和带宽有着密切的关系，数值孔径大，容易耦合，微弯敏感小，带宽较窄。数值孔径物理意义

——表示光纤的集光（接受入射光）能力。即凡是入射到圆锥角以内的所有光线都可以满足全反射条件，在芯包界面发生全反射，将光线束缚在纤芯内沿轴向传播.2/7/202340θc2/7/202341

波导的性质由纤芯和包层的折射率分布决定，工程上定义为纤芯和包层间的相对折射率差

当时，上式简化为此即为光纤波导的弱导条件。

弱导的基本含义是指很小的折射率差就能构成良好的光纤波导结构，而且为制造提供了很大的方便。3.相对折射率单模多模2/7/202342

一般介质波导截面上的折射率分布可以用指数型分布表示为：上式中a为纤芯的半径，n1为光纤轴线上的折射率，n2为包层折射率，

为一常数。当时，即为阶跃光纤当时，即为平方梯度光纤

P1344.折射率分布(径向分布）2/7/202343阶跃剖面n(r)an2n1r

纤芯阶跃折射率光纤an2n1r纤芯渐变剖面n(r)梯度折射率光纤2/7/2023445.归一化频率P135归一化频率是光纤最重要的结构参数，是能表征光纤中传播模式数量的参数,其表达式为：2/7/202345

光纤是怎样把光波传向远方的呢？为了说明这个问题，我们首先讨论光波在均匀折射率纤芯中的传播。当光波射入光纤的纤芯时，一般都会出现两种情况，一种是光线在过轴心的平面内传播，这种光线称为子午光线，另一种是不交轴光线，即在光纤中传播不通过轴心的偏射光线。如果从光纤端面来观察，其光线的进行轨迹是一组构成多边形的折线。

我们将分别讨论子午光线和偏射光线传播的过程。四、光在光纤中的传输特性2/7/2023461.阶跃光纤中光束的传播

均匀介质中光线轨迹是直线，光纤的传光机理在于光的全反射（从光密介质进入光疏介质且入射角大于临界角）。光纤可视为圆柱波导，在圆柱波导中，光线的轨迹可以在通过光纤轴线的主截面内，如图(a)所示，也可以不在通过光纤轴线的主截面内，如图(b)所示。要完整的确定一条光线，必须用两个参量，即光线在界面的入射角

和光线与光纤轴线的夹角。2/7/202347Prn2n1QQn2n1P(a)rtPQPrn2n1Q(b)

图

阶跃折射率光纤纤芯内的光线路径

(a)子午光线的锯齿路径；(b)偏斜光线的螺旋路经及其在纤芯横截面上的投影。2/7/202348（1）子午光线

当入射光线通过光纤轴线，且入射角1大于界面临界角时，光线将在柱体界面上不断发生全反射，形成曲折回路，而且传导光线的轨迹始终在光纤的主截面内。这种光线称为子午光线，包含子午光线的平面称为子午面。2/7/202349子午面1n1n2n00n2临界角：1子午光线的入射光线、反射光线和分界面法线三者均在子午面内。2/7/202350

阶跃型光纤的纤折射率分布是均匀的，它是靠全反射原理将光射线集中在纤芯中沿光纤长度方向传输。光射线在纤芯中的运行轨迹是一条和轴线相交的锯齿线。

光导纤维就是利用光的全反射来进行传输光信号（子午光线是平面曲线）2/7/202351

当产生全反射时，要求，因此有

设光线从折射率为n0的介质通过波导端面中心点入射，进入波导后按子午光线传播。根据折射定律：2/7/202352（2）斜射光线

当入射光线不通过光纤轴线时，传导光线将不在一个平面内，这种光线称为斜射光线。

如果将其投影到端截面上，就会更清楚地看到传导光线将完全限制在两个共轴圆柱面之间，其中之一是纤芯-包层边界，另一个在纤芯中，两个共轴圆柱面称为散焦面。2/7/202353阶跃光纤中的斜射光纤0为端面入射角,1为折射角,θ1是折射光线在界面的入射角,α为折射光线与端面的夹角,γ

为入射面与子午面的夹角。11112/7/202354O(a)0O(b)图

阶跃光纤中的斜射光线

显然，随着入射角1的增大，内散焦面向外扩大并趋近为边界面。在极限情况下，光纤端面的光线入射面与圆柱面相切（1=90），在光纤内传导的光线演变为一条与圆柱表面相切的螺线，两个散焦面重合。2/7/2023552.渐变光纤中光束的传播只讨论平方律梯度光纤中光波的传播特性。平方律折射率分布光纤的n(r)可表示为2/7/202356（1）平方律梯度光纤中的光线轨迹

由光纤理论可以证明子午光线轨迹按正弦规律变化式中r0、由光纤参量决定。

可见平方律梯度光纤具有自聚焦性质，又称自聚焦光纤，如图所示P137。等效焦距：2/7/202357PQrn(r)nrt2rt1rt2(b)渐变折射率分布光纤纤芯内光线的路径及其在纤芯横截面上的投影：(a)子午光线路径；(b)斜射光线路径；PQrn(r)znrtPQrt(a)2/7/202358

五、光束在光纤波导中的衰减和色散特性1.光纤的衰减

若Pi、Po分别为光纤的输入、输出光功率，L是光纤长度。衰减系数定义为单位长度光纤光功率衰减的分贝数，即光信号经过一定距离的光纤传输后要产生衰减和畸变:

☆幅度减小;☆波形展宽;产生信号衰减和畸变的主要原因是光纤中存在损耗和色散,限制了系统的传输距离和传输容量.2/7/202359

光纤的衰减特性

光信号在光纤内传播，随着距离的增大，能量会越来越弱，其中一部分能量在光纤内部被吸收，一部分可能突破光纤纤芯的束缚，辐射到了光纤外部，这叫做光纤的传输损耗（或传输衰减）。z=0z=L衰减2/7/202360

损耗系数是光纤的一个很重要的传输参量，是光纤传输系统中限制光信号中继传输距离的重要因素之一。光纤损耗的大小与波长有密切的关系。损耗与波长的关系曲线叫做光纤的损耗谱（或衰减谱），在谱线上损耗值比较高的地方，叫做光纤的吸收峰，较低的损耗所对应的波长，叫做光纤的工作波长（或工作窗口）。P315OH－吸收峰~2dB石英光纤的衰减谱如图所示，根据衰减谱图可知，光纤通信上常用的工作窗口主要有三个波长，即：λ1=0.850μm（850nm）、λ2=1.310μm（1310nm），λ3=1.550μm（1550nm）。2/7/202362吸收衰减散射衰减辐射损耗---光纤弯曲衰减和接头衰减材料固有吸收杂质吸收瑞利散射光纤结构不完善散射紫外吸收红外吸收氢氧根吸收过渡金属离子吸收光纤衰减光纤损耗特性产生的原因主要有:吸收损耗、散射损耗和辐射损耗。2/7/202363（1）吸收损耗

材料吸收损耗是一种固有损耗，不可避免。我们只能选择固有损耗较小的材料来做光纤。石英在红外波段内吸收较小，是优良的光纤材料。

有害的杂质吸收主要是由于光纤材料中含有Fe，Co，Ni，Mn，Cu，V，Pt，OH等离子。

吸收损耗原子缺陷吸收：由于光纤材料的原子结构的不完整造成非本征吸收：由过渡金属离子和氢氧根离子(OH－)等杂 质对光的吸收而产生的损耗本征吸收：由制造光纤材料本身

(如SiO2)的特性所决 定，即便波导结构非常完美而且材料不含 任何杂质也会存在本征吸收 解决方法：(1)光纤材料化学提纯;(2)制造工艺上改进，如避免使用氢氧焰加热.2/7/202365（2）散射损耗

由于光纤制作工艺上的不完善，例如有微气泡或折射率不均匀以及有内应力，光能在这些地方会发生散射，使光纤损耗增大。