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第二章光纖光學(xué)基本方程光波導(dǎo)的模式2?光ABCD單模多模電磁分離波動(dòng)方程waveequation縱橫分離波導(dǎo)場(chǎng)方程時(shí)空分離亥姆霍茲方程Helmholtzequation
分析思路光波導(dǎo):約束光波傳輸?shù)拿浇閷?dǎo)波光:受到約束的光波亥姆霍茲方程光線理論波動(dòng)理論模式一、波動(dòng)方程波動(dòng)方程推導(dǎo)最簡(jiǎn)單的波動(dòng)方程電矢量與磁矢量分離理想介質(zhì)各向同性介質(zhì):無(wú)自由電荷介質(zhì):f=0,
Jf=0非時(shí)變介質(zhì):
物質(zhì)方程
邊界條件
麥?zhǔn)戏匠桃?、波?dòng)方程波動(dòng)方程推導(dǎo)最簡(jiǎn)單的波動(dòng)方程電矢量與磁矢量分離
物質(zhì)方程
邊界條件
麥?zhǔn)戏匠滩▌?dòng)方程的標(biāo)量形式直角坐標(biāo)系中,電磁場(chǎng)的每個(gè)分量都成立,也就是說(shuō),電磁場(chǎng)向量的每個(gè)分量都滿足標(biāo)量波動(dòng)方程。一、波動(dòng)方程波動(dòng)方程推導(dǎo)最簡(jiǎn)單的波動(dòng)方程電矢量與磁矢量分離
物質(zhì)方程
邊界條件
麥?zhǔn)戏匠滩▌?dòng)方程的標(biāo)量形式式中
代表E和H的各分量。在圓柱坐標(biāo)中只有Ez和Hz分量才滿足上述波動(dòng)方程,橫向電磁場(chǎng)分量不滿足。三、亥姆霍茲方程Maxwell方程Helmholtz方程空間時(shí)間分離(頻域Maxwell方程)三、亥姆霍茲方程亥姆霍茲方程的標(biāo)量形式
基本方程直角坐標(biāo)系圓柱坐標(biāo)系左圖表示t=0時(shí)刻,電場(chǎng)及磁場(chǎng)隨空間的變化情況。HyExz
自由介質(zhì)中的單色均勻平面波若取Z軸方向?yàn)閭鞑シ较?,則——橫場(chǎng)和縱場(chǎng)稱為縱向傳播常數(shù),其實(shí)就是波矢在Z方向的分量kz。縱向振蕩因子HyExz
自由介質(zhì)中的單色均勻平面波——橫場(chǎng)和縱場(chǎng)
對(duì)于傳播方向而言,電場(chǎng)及磁場(chǎng)僅具有橫向分量,因此稱為橫電磁波,或稱為TEM波。以后將會(huì)遇到在傳播方向上具有電場(chǎng)或磁場(chǎng)分量的非TEM波。T-TransverseExHyz
導(dǎo)電介質(zhì)中的平面波衰減因子矩形波導(dǎo)圓波導(dǎo)微帶線電磁波在縱向(軸向)以“行波”的形式存在,在橫向以“駐波”的形式存在?!?-2波導(dǎo)方程
一、波導(dǎo)方程橫縱坐標(biāo)分離略去t-垂直于z方向的橫向(Transverse)模式場(chǎng)亥姆霍茲方程一、波導(dǎo)方程β-(縱向)傳播常數(shù),表示光場(chǎng)沿縱向的波動(dòng)性。
e(x,y)和h(x,y)-表示光場(chǎng)(E,H)沿波導(dǎo)橫截面的分布,稱為模式場(chǎng)χ-(橫向)傳播常數(shù)直角坐標(biāo)系圓柱坐標(biāo)系直角坐標(biāo)系二、模式波導(dǎo)場(chǎng)方程是一個(gè)典型的本征方程,其本征值為β或χ。當(dāng)給定波導(dǎo)的邊界條件時(shí),求解波導(dǎo)場(chǎng)方程可得本征解及相應(yīng)的本征值。通常將本征解定義為“模式”,它相應(yīng)于某一本征值并滿足全部邊界條件。每一個(gè)模式對(duì)應(yīng)于電磁場(chǎng)的一種穩(wěn)定存在形式,用電力線或磁力線將此形式描繪出來(lái)便是一種特定圖案。波導(dǎo)中總的光場(chǎng)分布則是這些模式的線性組合:模式圖形模式的特征:
模式是波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的固有電磁共振屬性的表征。一給定的波導(dǎo)中能夠存在的模式及其性質(zhì)是已確定了的,外界激勵(lì)源只能激勵(lì)起波導(dǎo)中允許存在的模式而不會(huì)改變模式的固有性質(zhì)。模式的場(chǎng)矢量e(x,y)和h(x,y)具有六個(gè)場(chǎng)分量:ex、ey、ez和hx、hy、hz(或er、e¢、ez和hr、h¢、hz)。只有這六個(gè)場(chǎng)分量全部求出方可認(rèn)為模式的場(chǎng)分布唯一確定。將兩式代入麥?zhǔn)戏匠痰膬蓚€(gè)旋度方程中:并利用以下關(guān)系三、模式場(chǎng)的分量形式式中:推導(dǎo)縱橫關(guān)系式
類似地,對(duì)于圓柱坐標(biāo),可得:返回框圖縱橫關(guān)系式1-3模式及其基本性質(zhì)模式場(chǎng)分布、縱向傳播常數(shù)(本征值)、橫向傳播常數(shù)、模式截止條件等求解問(wèn)題求解方法(波動(dòng)光學(xué)方法)由波導(dǎo)場(chǎng)方程求取Ez和Hz(模式場(chǎng)的縱向分量)由縱橫關(guān)系式求取橫向場(chǎng)分量由邊界條件獲得本征值方程由本征值方程求取本征值1-3模式及其基本性質(zhì)(以平板波導(dǎo)為例)xyzn1n2n3dsubstratecoverfilm平板波導(dǎo)結(jié)構(gòu)圖Morethan3layersn1>n2≥n3Width(iny)>>dd~μmΔn=n1-n2,~0.001-0.01Δ=Δn/n1≈Δn/n2
相對(duì)折射率差~0.1-1%Ifn2=n3,對(duì)稱波導(dǎo)(Symmetricalwaveguide)
n2>n3,非對(duì)稱波導(dǎo)(Asymmetricalwaveguide)
Ez=0,Hz=0的波,稱為橫電磁波,簡(jiǎn)記為TEM波Ez
0,
Hz=0的波,稱為橫磁波,Ey=Hx=0,僅有Ex,Ez和Hy三個(gè)場(chǎng)分量。簡(jiǎn)稱為TM波或E波Ez=0,Hz
0的波,稱為橫電波,Ex=Hy=0,僅有Ey,Hx和Hz三個(gè)場(chǎng)分量;簡(jiǎn)稱為TE波或H波。傳導(dǎo)電磁波的分類波導(dǎo)中可存在的波型1-3模式及其基本性質(zhì)平面波的反射與折射(a)TE波(b)TM波⊕代表進(jìn)紙面,⊙代表出紙面,角標(biāo)i、r、t分別代表入射、反射和折射1-3模式及其基本性質(zhì)(以平板波導(dǎo)為例)1-3模式及其基本性質(zhì)(以平板波導(dǎo)為例)電磁場(chǎng)沿z方向傳輸,z方向波導(dǎo)的幾何形狀不變。在y方向波導(dǎo)是無(wú)限延伸的,同時(shí)由于對(duì)稱性,場(chǎng)分量在y方向沒(méi)有變化,即:xyzn1n2n3dsubstratecoverfilm平板波導(dǎo)結(jié)構(gòu)圖從物理量隨著指標(biāo)變化來(lái)看,平板波導(dǎo)只與X、Z兩個(gè)指標(biāo)有關(guān)。又可稱平板波導(dǎo)為二維波導(dǎo)。波導(dǎo)方程:直角坐標(biāo)系一、波動(dòng)光學(xué)方法(電磁場(chǎng)分析)波導(dǎo)方程:直角坐標(biāo)系TE波ez
=0,
hz
0的波,稱為橫磁波,hy=ex=0,僅有hx,hz和ey三個(gè)場(chǎng)分量??v橫關(guān)系式在三層介質(zhì)中分量解分別寫出分量波動(dòng)方程為:波導(dǎo)層:襯底層:覆蓋層:令:對(duì)稱波導(dǎo):dz=hn=0n3n1n2xyz解得:其中,對(duì)于導(dǎo)模,在波導(dǎo)內(nèi)應(yīng)呈振蕩形式的解。對(duì)于導(dǎo)模,在介質(zhì)外場(chǎng)分量應(yīng)迅速衰減??v向場(chǎng)解基本形式導(dǎo)模條件波導(dǎo)內(nèi)呈振蕩形式解,應(yīng)有介質(zhì)板外場(chǎng)分量應(yīng)迅速衰減,應(yīng)有對(duì)于導(dǎo)模導(dǎo)模條件為:波導(dǎo)內(nèi)呈振蕩形式解,應(yīng)有橫向場(chǎng)解基本形式傳播常數(shù)的確定(本征值方程)或縱向傳播常數(shù)證明兩式乘
d2后再相加橫向傳播常數(shù)橫向傳播常數(shù)橫向傳播常數(shù)圖解法求解特征方程UtanU-UcotU模式截止截止條件:模式截止UtanU-UcotU模式的階數(shù)m越大,Κ越大,b越小。m=0,1,2…,分別對(duì)應(yīng)著TE0,TE1,TE2…模式,m稱為TE模的階數(shù)。模式數(shù)量向下取整UtanU-UcotU歸一化頻率波導(dǎo)中傳輸模式的數(shù)目與V有關(guān),V是介質(zhì)平板波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)參量,它與波導(dǎo)的n1、n2
、d及真空中的波長(zhǎng)有關(guān)。歸一化頻率歸一化頻率若V>>
2π,則波導(dǎo)中存在許多傳輸模式。因此若若設(shè)計(jì)一個(gè)多模介質(zhì)板波導(dǎo),應(yīng)按下式選擇介質(zhì)平板的半寬度:波導(dǎo)數(shù)值孔徑若波導(dǎo)的V<
π/2,則圖中的圓只能與UtanU曲線的第1個(gè)分支相交,這時(shí)波導(dǎo)中只存在一個(gè)TE模,即TE0模。一對(duì)稱介質(zhì)平板波導(dǎo),d=1μm,n1=2.234,n2=2.214,λ0=0.6328μm,求:(1)波導(dǎo)中存在哪些TE模?(2)當(dāng)光波長(zhǎng)增加到多少時(shí),波導(dǎo)中只有TE0模存在?因?yàn)棣?2<V<π,可知波導(dǎo)中存在著TE0模和TEl模。解:⑴:⑵:返回基本方程框圖如果從z方向來(lái)觀察波導(dǎo)橫截面,那么就只能看到光波沿著x方向的上下運(yùn)動(dòng),以下就從此觀點(diǎn)出發(fā)來(lái)導(dǎo)出平板波導(dǎo)中的導(dǎo)模條件。2、平板波導(dǎo)的幾何光學(xué)分析設(shè)一光波從薄膜下界面出發(fā)向上行進(jìn)到薄膜上界面,在上界面全反射后返回到下界面,并在下界面再次遭到全反射,此時(shí)會(huì)與原先從下界面出發(fā)的光波疊加在一起,若要發(fā)生相互加強(qiáng),則兩列波的相位差應(yīng)為2π的整數(shù)倍。這個(gè)維持導(dǎo)模的條件稱為橫向共振條件。平板波導(dǎo)的模式本征方程kkxkzdABCD波前n1n2n31312全反射相移該方程的又稱為色散方程。對(duì)于給定波導(dǎo)參數(shù),可求出θ,當(dāng)m取值不同時(shí),θ值也不同。θ稱為m階導(dǎo)模的模角。θ只能取一系列分立值。由θ可以確定傳播常數(shù)β。平板波導(dǎo)不同模式的傳輸路徑比較m=0m=1m=2程函方程:表示光波相位變化與介質(zhì)折射率分布的關(guān)系光線在均勻介質(zhì)傳播路徑上無(wú)方向變化;在非均勻介質(zhì)傳播路徑上有方向變化。光線方程:光線向折射率大的方向彎曲。相位梯度方向與波矢量k方向一致,其模等于該點(diǎn)鄰近單位距離內(nèi)的相移。(弧度/米)返回基本方程框圖2-4程函方程和射線方程推導(dǎo)切線方向上的單位光程沿路徑變化率折射率梯度二、波動(dòng)方程兩邊取旋度:均勻介質(zhì)()或ε變化緩慢的介質(zhì)()
最簡(jiǎn)單的波動(dòng)方程非均勻介質(zhì)返回波動(dòng)方程
稱為傳播常數(shù),表征相位變化的快慢在物理學(xué)中,k常稱為波矢量,或者稱為波數(shù)。它指向波的傳播方向。對(duì)于各向同性介質(zhì),k的方向與能流方向一致。紅色線條代表電力線藍(lán)色線條代表磁力線TE10模式場(chǎng)的三維圖形矩形波導(dǎo)中的空間模式E00E10E01E11202110111200010203模式數(shù)目光強(qiáng)為零最大光強(qiáng)圓波導(dǎo)(光纖)中的空間模式LED、白熾燈LD、點(diǎn)源經(jīng)準(zhǔn)直透鏡的光束光源光纖光斑初始端導(dǎo)波模、輻射模(泄漏模)導(dǎo)波模波導(dǎo)、導(dǎo)波的概念!返回模式的概念得各個(gè)分量的方程:消去hy用ez和ez表示ex的表達(dá)式:式中:類似可以得到用ez和hz表示ey,hx,hy的表達(dá)式:返回基本的波導(dǎo)方程式可化為:返回本征值方程(特征方程)的導(dǎo)出上面求出的場(chǎng)分量應(yīng)滿足電磁場(chǎng)的邊界條件,即當(dāng)
x=±d時(shí),橫向場(chǎng)分量應(yīng)保持連續(xù)。當(dāng)x=d時(shí),應(yīng)有ey1=ey2,hz1=hz2,由這兩個(gè)關(guān)系式可得到當(dāng)x=-d時(shí),也應(yīng)有ey1=ey2,hz1=ez2,由這兩個(gè)關(guān)系式可得到:組成線性齊次方程組,要使A,B有非零解,須令其系數(shù)行列式為零:由上式得TE模的特征方程式:或返回光程:波面走過(guò)的幾何路徑與折射率的乘積。平面波在任意方向傳輸?shù)牟ê瘮?shù):相位因子對(duì)非均勻介質(zhì),相位既與位置有關(guān),又與傳播路徑上的折射率有關(guān),用光程函數(shù)表示波函數(shù)略去時(shí)間因子相位梯度:表示光線傳播過(guò)程中相位的變化率由麥克斯韋方程推導(dǎo)程函方程:2.4-1程函方程由:等式左邊:與等式左邊相等:由麥克斯韋方程其他三個(gè)方程同樣處理,得到:三個(gè)矢量正交,相位梯度與波面法線方向一致。條件:將(2.4-1a)代入(2.4-1b),利用矢量恒等式EH相位梯度電場(chǎng)矢量振幅不能處處為零,因而必然有:或者:式(2.4-2a)稱為程函方程;相位梯度方向與光波傳播方向一致,其模等于介質(zhì)折射率;程函方程給出波面變化規(guī)律:在均勻介質(zhì)中,光波傳輸方向不變;在非均勻介質(zhì)中,光波傳輸方向隨折射率變。(2.4-2a)(2.4-2b)2.4-2光線方程(射線方程)r
:光線傳播路徑S上某點(diǎn)的矢徑dr/ds:傳播路徑切線方向上單位矢量,根據(jù)相位梯度的定義,矢量dr/ds方向與相位梯度方向一致,大小等于:由程函方程(2.4-3)因此相位梯度等于路徑切線方向上的單位光程路徑Srr+drzydrxdr/ds上式對(duì)路徑
S
求導(dǎo)光線方程是矢量方程,表示光線向折射率大的方向彎曲。等式右邊:(2.4-4)故對(duì)
S
求導(dǎo)式為:切線方向上的單位光程沿路徑變化率折射率梯度光線方程例1:光線在均勻媒質(zhì)中的傳播光線方程:因n=常數(shù)改寫成:其解為矢量直線方程:
a和b是常矢量,在均勻介質(zhì)中光線路經(jīng)沿矢量a前進(jìn),
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