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1、光輻射在介質波導中的傳播§2光輻射在介質波導中的傳播主要內容分析方法2.1光線在介質界面的反射與折射2.2平板介質波導2.3光纖1射線光學2波動理論§2.2平板介質波導基礎波導的發(fā)展歷史光波導的基本概念光波導的主要種類平板介質波導的射線理論分析平板介質波導的波動理論分析一.光波導的發(fā)展歷史1854年：英國的廷達爾(Tyndall)就觀察到光在水與空氣的分界面上作全反射以致光隨水流而彎曲的現(xiàn)象；viahttp://diybbs.zol.com.cn/3/3_21739.html1929-1930年：美國的哈納爾(Hanael)和德國的拉姆(Lamm)先后拉制出石英光纖并用于光線和圖像的短
2、距離傳輸；1966年：高錕博士發(fā)表他的著名論文“光頻介質纖維表面波導”首次明確提出，通過改進制備工藝，減少原材料雜質，可使石英光纖的損耗大大下降，并有可能拉制出損耗低于20dB/km的光纖，從而使光纖可用于通信之中高錕教授(Prof.CharlesK.Kao)1933年出生于中國上海。被譽為“光纖之父”，曾任香港科技大學校長。1990年獲選美國國家工程學院院士。1996年，創(chuàng)立香港高科橋公司。1970年，康寧玻璃公司（CorningInc.）率先研制成功損耗為20dB/km的石英光纖，取得了重要的技術突破經過近30年的發(fā)展，光纖的損耗已經降至0.2dB/km(單模光纖）各種光波導器件在
3、光纖系統(tǒng)中獲得廣泛應用，相關的應用產業(yè)日新月異地蓬勃發(fā)展二.光波導的基本概念導波光：受到約束的光波光波導：約束光波傳輸?shù)拿浇榻橘|光波導三要素：(1)“芯/包”結構(2)凸形折射率分布，n纖芯>n包層(3)低傳輸損耗三.光波導的主要種類薄膜波導（平板波導）矩形波導（條形波導）圓柱波導（光纖）脊型波導溝道波導平面掩埋溝道波導單模：8~10um多模：50um125um§2.2.1平板介質波導的射線理論分析光線在平板介質波導中的傳播結構波導薄膜1~10μm襯底包層通常為空氣n3n2n1一般有非對稱型對稱型§2.2.1平板介質波導的射線理論分析可能存在的幾種波導波的基礎是全反射，然而全反射需要滿
4、足條件以的平面波導為例，設臨界角分別為當時，為導波模當時，為包層模當時，為襯底?！?.2.1平板介質波導的射線理論分析包層模和襯底模通過界面向外輻射能量，通常稱為輻射模導模能將能量集中在波導中傳播，是我們需要用來傳輸信號的光線（導模）在波導中是以鋸齒形光路傳播的§2.2.1平板介質波導的射線理論分析平板介質波導中的導波五個方面的內容特征方程導波模式截止波長單模傳輸對稱薄膜波導、兼并§2.2.1平板介質波導的射線理論分析特征方程反映導波傳輸模式規(guī)律的方程導波特點條件稱為色散系數(shù)或軸向相位常數(shù)表征傳播方向上的色散特性MN如何保證平面波保持波前為平面？為什么要保持？MN§2.2.1平板介質波
5、導的射線理論分析特征方程特征方程又稱色散方程，是討論導波特性的基礎其中是薄膜厚度是自由空間波數(shù)，取決于工作波長是相應界面全反射相移角，與波導的結構參數(shù)和入射角有關§2.2.1平板介質波導的射線理論分析特征方程特征方程又稱色散方程，是討論導波特性的基礎其中對于TE波和TM波，分別取不同的值不同m值，對應于不同的波型或模式導模是離散模式，具有離散譜：對應于一個m值，有對應的值，m是正整數(shù)，是離散的，所以也是離散的?！?.2.1平板介質波導的射線理論分析導波模式對給定的波導和工作波長，可由特征方程求出可形成波導光的值不同的對應不同的m值，即不同的模式m稱為模序數(shù)以TE波的表示式代入時，得出模
6、式為TEm模以TM波的表示式代入時，得出模式為TMm模m取值0，1，2，…時分別得到TE0、TM0、TE1、TM1、TE2、TM2、…的?！?.2.1平板介質波導的射線理論分析截止波長波導中，任一界面的全反射條件被破壞，即認為導波處于截止狀態(tài)當時即處于截止的臨界狀態(tài)，進一步減小就會進入輻射狀態(tài)臨界狀態(tài)時特征方程可寫為截止波長§2.2.1平板介質波導的射線理論分析截止波長截止波長根據上面的條件很容易得到波導中所能傳輸?shù)哪Ｊ降臄?shù)量、m階導模的截止頻率和截止厚度模式數(shù)量顯然有§2.2.1平板介質波導的射線理論分析截止波長第m階導模的截止頻率第m階導模的截止厚度§2.2.1平板介質波導的射線理
7、論分析單模傳輸截止波長最長（截止頻率最低）的模式叫基模如平面波導中的TE0模如果波導的結構或選擇的工作波長只允許TE0模傳輸，則稱為單模傳輸在上面的各項截止指標中，令m分別等于0和1就得到維持單模傳輸?shù)暮穸确秶?、頻率范圍或者波長范圍（分別對應于給定的其它條件）條件§2.2.1平板介質波導的射線理論分析對稱薄膜波導、兼并當時，稱為對稱平面波導此時，特征方程，變?yōu)椤?.2.1平板介質波導的射線理論分析對稱薄膜波導、兼并TE模與TM模具有相同的截止波
