光辐射在介质波导中的传播
168页1、第二章第二章.光辐射在介质波导中光辐射在介质波导中的传播的传播第一节第一节 介质波导中的光线传播介质波导中的光线传播第二节第二节 光在平板介质波导中的传播光在平板介质波导中的传播第三节第三节 光在渐变波导中的传播光在渐变波导中的传播第四节第四节 光在条形波导中的传播光在条形波导中的传播第五节第五节 光在光纤中的传播光在光纤中的传播第六节第六节 光纤的损耗光纤的损耗与色散与色散光源光源-接收器,桥梁接收器,桥梁:光波导光波导.光路要求光路要求:衰减尽可能小衰减尽可能小+尽可能不失真地传输光。尽可能不失真地传输光。介质光波导介质光波导:将光限制在一定路径中向前传播,减小光耗散,便将光限制在一定路径中向前传播,减小光耗散,便于光的调制、耦合等,为光学系统的固体化、小型化、集成化打于光的调制、耦合等,为光学系统的固体化、小型化、集成化打下了基础下了基础传统光学传输介质传统光学传输介质:空气空气,透镜,透镜、棱镜、光栅等光学元件构成光、棱镜、光栅等光学元件构成光路长距离路长距离传输:存在水吸收、微粒散射,光学元件菲涅尔反射等,传输:存在水吸收、微粒散射,光学元件菲涅尔反射等,无实用价值。无实用价
2、值。气体透镜:将圆管中充满清洁的空气,四周加热,调整气体流速气体透镜:将圆管中充满清洁的空气,四周加热,调整气体流速以保持层流以保持层流,用,用气体温差构成气体透镜,使通过的光向中心汇聚,气体温差构成气体透镜,使通过的光向中心汇聚,不致耗散,但难实现。不致耗散,但难实现。介质介质光波导:可以用来引导光按需要的路径传播,并且损耗可以光波导:可以用来引导光按需要的路径传播,并且损耗可以做到做到很小很小分类:分类:平面介质波导平面介质波导、条形介质波导和圆柱形介质波导。、条形介质波导和圆柱形介质波导。光纤:光纤:阶跃折射率光纤:阶跃折射率光纤:原理:原理:1854年,英国的年,英国的Tyndall 石英光纤应用专利:石英光纤应用专利:1927年,英国的年,英国的Baird与美国的与美国的Hansell申请。申请。玻璃光纤注光:玻璃光纤注光:1930年,德国人年,德国人 细束光纤设计:细束光纤设计:1958年,美国的年,美国的Kapany 第二吸收鞘引入:第二吸收鞘引入:1958年,美国光学公司,为减少光纤年,美国光学公司,为减少光纤包层杂散光;包层杂散光;光纤激光器:光纤激光器:1961年,
3、美国的年,美国的Snitzer研制。研制。渐变折射率光纤渐变折射率光纤 专利:专利:1963年,日本的西呎等人申请年,日本的西呎等人申请 产品:产品:1968年,日本玻璃板公司研制。年,日本玻璃板公司研制。1970年,美国年,美国Corning公司研制出公司研制出20dB/km的低损耗光纤,开的低损耗光纤,开始光纤通信产业化。始光纤通信产业化。平板与条形光波导:平板与条形光波导:光学系统小型化、集成化、固体化需求的产物。光学系统小型化、集成化、固体化需求的产物。起源:起源:1910年,德国的年,德国的Hondros和和Debye进行的电介质棒的进行的电介质棒的研究。研究。1962年:美国的年:美国的Yariv从从p-n结中观测到平板层中的光波导现象,结中观测到平板层中的光波导现象,1963年,年,Nelson等人发现了光波导电光调制现象,等人发现了光波导电光调制现象,1964年,年,Osterberg 与与Smith开始光波导耦合实验。开始光波导耦合实验。1965年,美国的年,美国的Anderson开始用光刻方法制作光波导,开始用光刻方法制作光波导,此后各国开始了各种功能光波导器件的研
4、制。此后各国开始了各种功能光波导器件的研制。按光波导形状分类光纤(柱形波导)薄膜波导条形波导带状波导按折射率分布分类均匀介质光波导渐变折射率介质光波导光波导的分类第一节第一节 介质波导中的光线传播介质波导中的光线传播1 光在介质界面的传播特性光在介质界面的传播特性电磁波通过两种介质界面电磁波通过两种介质界面反射和折射:反射和折射:1=1n 1 sin 1=n 2 sin 2 即:即:Plane of the interface(here the yz plane)(perpendicular to page)n1n21r2E1/Interfacezxy反射波振幅:菲涅尔反射波振幅:菲涅尔(Fresnel)公式:公式:r:振幅反射系数,角标:振幅反射系数,角标“”和和“”分别表示分别表示电矢量垂直和平行于入射面。电矢量垂直和平行于入射面。i r tzx反射光反射光入射光入射光折射光折射光n1n2HtHiHrEtErEi i r tzx反射光反射光入射光入射光折射光折射光n1n2HtHiHrEtEiErTM波波横磁波横磁波TE波波横电波横电波TM光波:光波:E矢量矢量 入射面,入射面,H矢
5、量矢量 入射面入射面TE光波:光波:E矢量矢量 入射面,入射面,H矢量矢量 入射面入射面其中:其中:n 1 n 2,且且1 c时,时,产生全反射,产生全反射,当当1 c时时讨论:讨论:1、由由n1n2知知 TM TE2、当、当 i=c c 时,时,=n2k03、当、当 i=/2时时=n1k0,当入射角从当入射角从 c变到变到/2时,全反射相移从时,全反射相移从0变到变到 TE=TM=0 TE=TM=/2当入射角当入射角 ic时,则无相移。时,则无相移。说明:说明:n1n2xzOk1k1k2 i t i2 光密媒质中的波场光密媒质中的波场导波导波光密媒质:反射波在界面发生相位光密媒质:反射波在界面发生相位突变,突变,光密媒质中的场由入射波和反射波叠加而成。光密媒质中的场由入射波和反射波叠加而成。入射波电矢量垂直入射入射波电矢量垂直入射面时面时:入射电场:入射电场:反射电场反射电场式中式中纵向传播常数纵向传播常数横向横向传播常数传播常数又由于又由于合成波电场合成波电场同理可得同理可得合成磁场合成磁场:1.1.等相位面:等相位面:在某一时刻,空间具有相同相位的点构成的面称为等相位面。等相位面
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