電動(dòng)力學(xué)7-1課件

光波導(dǎo)技術(shù)

任課教授：劉德明

（光電子工程系）光波導(dǎo)的基本概念導(dǎo)波光：受到約束的光波光波導(dǎo)：約束光波傳輸?shù)拿浇榻橘|(zhì)光波導(dǎo)三要素：“芯/包”結(jié)構(gòu)凸形折射率分布，n1>n2低傳輸損耗光波導(dǎo)的分類薄膜波導(dǎo)（平板波導(dǎo)）矩形波導(dǎo)（條形波導(dǎo)）園柱波導(dǎo)（光纖）對(duì)稱與非對(duì)稱波導(dǎo)矩形波導(dǎo)脊型波導(dǎo)溝道波導(dǎo)平面掩埋溝道波導(dǎo)園柱波導(dǎo):光導(dǎo)纖維單模：8~10mm多模：50mm125mm光波導(dǎo)的進(jìn)一步分類按折射率分布：均勻折射率分布光波導(dǎo)；漸變折射率分布光波導(dǎo)按傳播模式：?jiǎn)文９獠▽?dǎo)；多模光波導(dǎo)按材料：石英、塑料與紅外光波導(dǎo)、III-V族材料光波導(dǎo)特種光波導(dǎo)（光纖）：保偏(單偏振)光纖；有源光纖；晶體光纖零/非零色散位移光纖；負(fù)色散光纖；特殊涂層光纖；耐輻射光纖；發(fā)光光纖集成光學(xué)導(dǎo)波光學(xué)：研究波導(dǎo)的導(dǎo)波特性集成光路:功能元件集成PIC:PhotonIntegratedCircuit

OEIC:OptoelectronicIntegratedCircuitMCVD:ModifiedchemicalvapordepositMOCVD:MetalOxidechemicalvapourdepositMBE:MolecularBeamEpitaxyLPE:LiquidPhaseEpitaxyPCVD:Plasmonchemicalvapourdeposit光波導(dǎo)技術(shù)的廣闊應(yīng)用領(lǐng)域光波導(dǎo)技術(shù)有源無(wú)源器件光纖通信干線光交換接入網(wǎng)AONDWDMOADMOTDMFTTC,B,O,H

位移、振動(dòng)溫度、壓力應(yīng)變、應(yīng)力電流、電壓電場(chǎng)、磁場(chǎng)流量、濃度可以測(cè)量70多個(gè)物理化學(xué)量廣告顯示牌激光手術(shù)刀儀表照明工藝裝飾電力輸送光纖面板醫(yī)用內(nèi)窺鏡潛望鏡

光子集成光電子集成集成光路光收發(fā)模塊光接入模塊光開(kāi)關(guān)模塊光放大模塊信息獲取信息傳輸信息處理其它應(yīng)用“光谷”：信息產(chǎn)業(yè)新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)許其貞委員于2000年3月在全國(guó)政協(xié)會(huì)議提案：建立“武漢中國(guó)光谷”美國(guó)1998年5月以亞利桑那大學(xué)為中心建立了“美國(guó)光谷”法國(guó)1999年以Alcatel為依托建立法國(guó)光谷廣東省將建立“廣東光谷”長(zhǎng)春建設(shè)“長(zhǎng)春光谷”北京、重慶、上海、合肥都在建光谷。建設(shè)規(guī)劃面積：50平方公里地域：東至外環(huán)線、南至湯遜湖北岸 西至珞獅路、北至東湖南岸

特征：三湖（東湖、南湖、湯遜湖） 六山（珞枷山、南望山、伏虎山 喻家山、馬鞍山、九峰山）區(qū)劃：科研區(qū)、商貿(mào)區(qū)、居住區(qū)、管理區(qū)人口：40-60萬(wàn)經(jīng)濟(jì)：750億元（光電子600億、生物150億）軟件產(chǎn)業(yè)CAD/CAM/CAPP/CIMSGPS/GIS/RS信息安全技術(shù)軟件地理信息系統(tǒng)與數(shù)字城市管理信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)教育軟件消費(fèi)光電子光存儲(chǔ)光傳感光顯示數(shù)碼相機(jī)新型光源信息光電子光纖光纜光通信器件與光集成光通信系統(tǒng)設(shè)備IP網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備移動(dòng)通信系統(tǒng)及設(shè)備課程內(nèi)容光波如何進(jìn)入光波導(dǎo)？（模式的激勵(lì)）光波在光波導(dǎo)中如何傳播？(模式分布)光波導(dǎo)的基本特征參數(shù)及測(cè)試技術(shù)光波導(dǎo)耦合技術(shù)光波導(dǎo)有源與無(wú)源器件光波導(dǎo)中的非線性效應(yīng)光波導(dǎo)傳感技術(shù)光波導(dǎo)集成技術(shù)參考書(shū)目《導(dǎo)波光學(xué)》范崇澄、彭吉虎《光纖光學(xué)》劉德明、向清、黃德修《光纖技術(shù)及其應(yīng)用》劉德明、向清、黃德修《介質(zhì)光波導(dǎo)理論》D.Marcuse,劉弘度譯“OpticalWaveguideTheory”SnyderAW，LoveJ.

“Understandfiber-opticalcommunication”分析思路麥克斯韋方程分離變量電矢量與磁矢量分離:可得到只與電場(chǎng)強(qiáng)度E(x,y,z,t)有關(guān)的方程式及只與磁場(chǎng)強(qiáng)度H(x,y,z,t)有關(guān)的方程式；時(shí)、空坐標(biāo)分離:亥姆霍茲方程，是關(guān)于E(x,y,z)和H(x,y,z)的方程式；空間坐標(biāo)縱、橫分離：波導(dǎo)場(chǎng)方程，是關(guān)于E(x,y)和H(x,y)的方程式；邊界條件：在兩種介質(zhì)交界面上電磁場(chǎng)矢量的E(x,y)和H(x,y)切向分量要連續(xù)。 模式的基本特征 ----每一個(gè)模式對(duì)應(yīng)于沿光波導(dǎo)軸向傳播的一種電磁波; ----每一個(gè)模式對(duì)應(yīng)于某一本征值并滿足全部邊界條件; ----模式具有確定的相速群速和橫場(chǎng)分布. ----模式是波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的固有電磁共振屬性的表征。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)起光波導(dǎo)中允許存在的模式而不會(huì)改變模式的固有性質(zhì)。模式場(chǎng)分量與縱橫關(guān)系式 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、Eφ、Ez和Hr,Hφ,Hz)。只有當(dāng)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。但實(shí)際上這并不必要。因?yàn)閳?chǎng)的橫向分量可由縱向分量Ez和Hz來(lái)表示. （見(jiàn)（1.2.25）-（1.2.32）式）模式命名根據(jù)場(chǎng)的縱向分量Ez和Hz的存在與否,可將模式命名為:(1)橫電磁模(TEM):Ez＝Hz＝0;(2)橫電模(TE): Ez＝0,Hz≠0;(3)橫磁模(TM): Ez≠0,Hz＝0;(4)混雜模(HE或EH):Ez≠0,Hz≠0。光纖中存在的模式多數(shù)為HE(EH)模,有時(shí)也出現(xiàn)TE(TM)模。射線方程物理意義：將光線軌跡(由r描述)和空間折射率分布(n)聯(lián)系起來(lái);

由光線方程可以直接求出光線軌跡表達(dá)式;

dr/dS是光線切向斜率,對(duì)于均勻波導(dǎo)，n為常數(shù),光線以直線形式傳播;對(duì)于漸變波導(dǎo),n是r的函數(shù),則dr/dS為一變量,

這表明光線將發(fā)生彎曲。而且可以證明,光線總是向折射率高的區(qū)域彎曲。典型光線傳播軌跡光線分類子午光線：限制在子午平面內(nèi)傳播的光線與光軸相交傾斜光線：軌跡曲線不限制在一個(gè)平面內(nèi)不過(guò)光軸子午平面子午光線：均勻折射率分布折射率分布:光線軌跡:限制在子午平面內(nèi)傳播的鋸齒形折線。光纖端面投影