第章 光在波导中的传播.ppt

第四章 光在波导中的传播 光波被约束在确定的介质中传播时，由这种介质构成的光波通道称为光学介质波导，或简称为光波导 第二节 光在光纤中的传播 本节从射线理论和波动理论两方面对光在光纤中传播的物理图象进行讨论。 为了研究波导间的能量传递，可计算出： 显然，总能量 在光波的传播过程中保持不变，所以两个波导的能量变化是互补的。 在 条件满足时，可实现波导间能量的完全转移。 在其余的情况下，转移部分的能量所占比例取决于 ，因而取决于波导间参数的差异。调整这些参数可改变 ，从而改变波导间耦合的程度。 一、光纤的结构特性 　　光纤的典型结构如图4-2所示。光纤的核心部分是由圆柱形玻璃纤芯和玻璃包层构成，最外层是一种弹性耐磨的塑料护套。纤芯粗细、纤芯折射率n1和包层折射率n2，对光纤的传光特性起决定性的影响。 按照折射率分布划分，光纤类型分为阶跃折射率光纤和渐变(梯度)折射率光纤。 图4-2 光纤的结构 图4-3示出这两种类型光纤的折射率分布及光线行进情况。 图4-3 典型光纤的结构 阶跃单模 阶跃多模 梯度多模 随着纤芯直径(通常用2a表示)的粗细不同，光纤中传输模式的数量也不相同。因此，按照光纤传输模式的数量划分，光纤分为单模光纤和多模光纤。 随着光纤技术的发展，还出现了一系列的特种光纤，如塑料光纤、导电光纤、空心光纤、发光光纤、保偏光纤等。 描述光纤传光特性的基本结构参数主要有以下几个： 1．光纤尺寸 如图4-3所示，光纤结构尺寸包括纤芯直径2a和包层外径2b。 2．数值孔径NA 光纤的数值孔径是表示光纤集光能力大小的一个参数。 3．相对折射率差 相对折射率差是表示纤芯和包层之间相对折射率差的一个参数，由下式给出： 通常纤芯和包层折射率相差很小。 的取值大约在0.001～0.01范围，此时 1，这种情况称为弱波导。在弱波导条件下，数值孔径NA和相对折射率差有如下关系： 4．归一化频率(或结构参量) 归一化频率是一个与光纤中能够传输的模式数有关的参数，其定义为 当 时，光纤中只能传输单一模式。当 时，将传输多种模式。 在弱波导光纤中允许存在的模式数M可由下式估算： 5．折射率分布 上面分析的都是阶跃折射率光纤的情况，其整个纤芯中折射率是常数。对梯度折射率光纤，其纤芯截面的径向折射率n(r)呈渐变型分布(见图4-3c)，往往用下式来表示: 式中， 是纤芯轴线处( )的折射率；r为纤芯内任意一点到芯轴的距离；a为纤芯半径； 为相对折射率差； 为折射率分布指数。 阶跃型多模光纤一般芯直径50～200 ， 0.01～0.02。单模光纤的芯直径一般小于10 。 梯度(渐变)型光纤芯径与阶跃型相同，但折射率不是常数，通常从纤芯轴处往纤芯边缘按抛物线形递减(　　　)。 * 光通信的迅速发展，促进了对与之有密切联系的光波导技术的研究。光波导技术是一种以光的电磁场理论为基础，对光波实施限制和传输的技术。其中，介质波导和光纤是两种最常用和最重要的光波导。下面将以射线理论和电磁场理论分析光波在介质波导和光纤中的传导模式和传播特性，并介绍导波光学器件的典型应用。 第一节 光在平板波导中的传播 一、平板光波导的射线理论 平板型波导是介质波导中最简单、最基本的结构，理论分析也具有代表性。故本节就平板型波导从射线理论和电磁场理论两个方面进行分析。 （一）???? 导波与辐射模 最简单的平板型光波导是由沉积在衬底上的一层均匀薄膜构成（因而又叫做薄膜波导），如图4-1所示，它的折射率n1比覆盖层（通常为空气）的折射率n0及衬底层折射率n2都高，且n1n2n0。设薄膜厚度为h，沿y方向薄膜不受限，在薄膜与衬底的界面（下界面）上平面波产生全反射的临界角为 ，而在薄膜与覆盖层的界面（上界面）上平面波产生全反射的临界角为 ，根据全反射原理，有： 由于n2n0，所以 ，当平面波的入射角 变化时，波导内可产生不同的波型。当入射角满足 时，入射平面波在上下界面均产生全反射，此时形成的波称为导波。 只有导波能将能量集中在波导中导行，在平板型光波导中即是由导波来传输光能量的。而辐射模却通过界面向外辐射能量，是不希望存在的寄生波。 当 时，在下界面的全反射条件被破坏； 当 时，上下界