光子学与光电子学 教学课件 ppt 作者 原荣 第2章 光波在光纤波导中的传输
97页1、光子学与光电子学 原荣 邱琪,第2章 光波在光纤波导中的传输,2.1 光与介质的相互作用 2.2 平板介质波导 2.3 光线光学分析光纤传光原理 2.4 导波光学分析光纤模式 2.5 光纤的基本特性 2.6 光纤的传输特性,光子学与光电子学 原荣 邱琪,2.1.1 斯奈尔定律和全反射 1. 光的反射和折射,把筷子倾斜地插入水中,可以看到筷子与水面的相交处发生弯折,原来的一根直直的筷子似乎变得向上弯了。这就是光的折射现象,光子学与光电子学 原荣 邱琪,水下的潜水员在某些位置时,他可以看到岸上的人,如图1.3.2入射角为 i1 的情况,但是当他离开岸边向远处移动时,当入射角等于或大于某一角度c时,他就感到晃眼,什么也看不见。此时的入射角c我们就叫临界角。,光子学与光电子学 原荣 邱琪,图2.1.3 光波从折射率较大的介质入射进入折射率较小的介质,在边界反射和折射,光子学与光电子学 原荣 邱琪,2.1.1 斯奈尔定律和全反射,从几何光学我们可以得到(见图1.3.1左上角小图),或者,这就是斯奈尔(Snell)定律, 它表示入射角和折射角与介质折射率的关系。 该定律由Fresnel 发明。,光
2、子学与光电子学 原荣 邱琪,图2.1.4 光波从折射率较大的介质以三种不同的入射角进入折射率较小的介质,出现三种不同的情况,(a)i c 当透射角达到90时,入射光沿交界面向前传播,如图2.1.4(b)所示,此时的入射角称为临界角; 当入射角超过临界角( i c )时,没有透射光,只有反射光,这种现象叫做全反射,全反射就是光纤波导传输光的必要条件。,光子学与光电子学 原荣 邱琪,光纤波导 传输光的原理,光子学与光电子学 原荣 邱琪,2.1.2 内/外反射,1. TE波、TM波、消逝波和线偏振 在2.1.1节中,已用具有恒定相位波前的光线光学解释了光在介质中的反射和折射,但是为了获得反射和折射波的幅度和它们之间的相位关系,我们必须考虑光波中的电场。该电场必须垂直于传输的方向,如图2.1.5所示,并可分解位与入射平面垂直的电场分量和平行的磁场分量。入射平面是包含入射光线和反射光线的平面,电场和磁场分量分别有入射波、反射波和折射波分量。,光子学与光电子学 原荣 邱琪,图2.1.5 光波从折射率较大的介质进入较小的介质,电场与传输方向正交,并可分解为与入射面垂直的电场分量和平行的磁场分量,光子
3、学与光电子学 原荣 邱琪,菲涅耳方程,利用电磁波从介质1传播到介质2的边界条件,我们很容易获得反射波和折射波幅度的表达式,这些关系式叫菲涅耳方程。电场的反射和折射系数是,这些方程的重要意义在于,反射波和透射波的幅度和相位可用反射系数和透射系数来描述.,光子学与光电子学 原荣 邱琪,偏振角或布鲁斯特(Brewster)角,偏振角或布鲁斯特角,由下式给出 (2.1.8) 此时的反射光称为线偏振光,因为此时的光波只有在一个确定平面内的电场分量,并与入射平面和传输方向垂直。 然而非偏振光的电场却有无数个与传输方向垂直的电场分量。从许多光源发射的光,例如钨灯或LED二极管是非偏振光。非偏振光可认为是一束光或一些垂直于光传输方向随机发射的电磁波的集合。,光子学与光电子学 原荣 邱琪,图2.1.6 在内反射时由菲涅耳方程得出的反射系数幅度和相位变化与入射角的关系,光子学与光电子学 原荣 邱琪,图2.1.7 在外反射时由菲涅耳方程得出的反射系数幅度与入射角的关系,光子学与光电子学 原荣 邱琪,图2.1.8 入射角等于布鲁斯特角p时只有一个垂直于入射平面的反射光电场分量,光子学与光电子学 原荣 邱琪,光
4、强、反射率和透射率,光强I与光波传输的速度和电场幅度有关 (2.1.13) 反射率R用反射光的强度和相对应入射光的强度之比来度量,法线入射的反射率只与介质的折射率有关 (2.1.15) 因为玻璃的折射率约为1.5,所以光从空气-玻璃界面反射将有4 %的光被反射回来。 (2.1.17) 而且反射光和透射光之和必须等于1。,光子学与光电子学 原荣 邱琪,图2.1.9 镀抗反射膜以减少反射光强度,当光入射到光电器件的表面时总会有一些光被反射回来,除增加耦合损耗外,还会对系统产生不利的影响,为此需要在器件表面镀一层电介质材料,以便减少反射。,2.1.3 抗反射膜,光子学与光电子学 原荣 邱琪,抗反射膜 工作原理,光子学与光电子学 原荣 邱琪,2.1.4 古斯-汉森相移和分光镜 图2.1.10 全反射时反射光线在界面横移了z(古斯-汉森相移),光波从折射率较大的介质以 的入射角进入折射率 较小的介质时将出现全反射,而且开始反射点就是入射光线与界面的接触点,如图1.3.10的b光线。 但是仔细的观测发现,在同样的入射角下,反射光线向z方向移动了一点距离变成了c光线,反射平面变成了在稀疏介质中的虚平
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