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文檔簡介
lesson8Guided-wave
Optics導(dǎo)波光學(xué)
導(dǎo)波光學(xué)基礎(chǔ)1.1
光波基本方程????麥克斯韋方程物質(zhì)方程波動方程電磁場邊界條件
?
坡印亭矢量1.2
平面電磁波的反射與折射
1
t
D
J
2
H
t
D
3
B
0
4
導(dǎo)波光學(xué)基礎(chǔ)1.1.1麥克斯韋方程
B
E
麥克斯韋方程的物理意義方程1:
變化的磁場產(chǎn)生電場;方程2:
變化的電場產(chǎn)生磁場;方程3:
電場是有源場;方程4:
磁場是無源場;0
0
B=
M
H+
E
J
H
B
E
D
,
,,
,
E
J
H
B
E
D
j
ij
i
j
ij
i
導(dǎo)波光學(xué)基礎(chǔ)1.1.2
物質(zhì)方程各向同性的介質(zhì)各向異性的介質(zhì)
i,
j
1,2,3
D
0E+P
E
矢量赫姆霍茲方程n0
-
E
0
k
E
E22
tc
H
0
k
H
Hn-
H
0
tc導(dǎo)波光學(xué)基礎(chǔ)1.1.3
波動方程假設(shè)場中沒有自由電荷和電流,
且介質(zhì)為非磁性介質(zhì)2
22
22
22
22
2
2
2
7
1
2
D
D
n
8
0
1
2
B
B
n
9
0
1
2
E
E
n
10
J
1
2
s
H
H
n
1.1.4
電磁場的邊界條件
1.1.5
坡印亭矢量S
E
H光學(xué)中,坡印廷矢量的時間平均值是一個非
常重要的物理量,其大小等于光強的量度
,其方向代表光的傳播方向。電磁場的能量定理:在電磁場中,單位時間內(nèi)電磁能量的減小量等于場中所產(chǎn)生的焦耳熱及通過表面流出的能量之和ni
cos
i
nt
cos
t
sin
t
i
sin
ni
i
t
t
t
i
cos
n
cos
nt
cos
i
ni
cos
t
tan
i
t
nt
i
i
t
t
i
tan
cos
n
cos
2ni
cos
i
2sin
t
cos
ini
i
t
t
t
i
sin
cos
n
cos
2nt
cos
i
sin2
int
i
i
t
t
i
i
t
sin
cos
cos
n
cos
1.2.2
菲涅耳公式反射和折射定律給出了入射波、反射波和折射波三者傳播方
向之間的關(guān)系,而菲涅耳公式則給出了三者之間振幅和相
位的關(guān)系。TE波的菲涅耳公式r
t
where,ni
n1,nt
n2TM波的菲涅耳公式r
TM
tTM
where,ni
n1,nt
n222R=
rtn2
cos
t
n1cos
iT
R
T
11.2.3
布儒斯特角射向界面的一束光,反射光線與折射光線都是部分偏振光。當(dāng)入射光
以一特殊角度射入時反射光是線偏振光,這個角叫作起偏角或者布儒斯特角,此時反射光線與折射光線互相垂直。布儒斯特角等于兩種介質(zhì)的折光率之比的反正切。設(shè)θ1為入射角,θ2為折射角。我們有如果反射角和折射角垂直,則:整理,得:其中n1和n2為該兩種介質(zhì)的折射率。導(dǎo)波光學(xué)Stanford
UniversityWashington
University3
導(dǎo)波光學(xué)的定義光在自由空間傳播
球面波點光源6平面波H
?E
?
k
?
7
導(dǎo)波光學(xué)的定義光在自由空間傳播
高斯光束束腰8電磁波中的“場”與“路”
>100電路~10-3微波波導(dǎo)(射頻電路)~10-6光波導(dǎo)(光路)光在限制空間的傳播——電磁理論
光波導(dǎo)14定義:研究光波在限制性空間(波導(dǎo))中
光波傳播特性的一門學(xué)科導(dǎo)波光學(xué)的理論基礎(chǔ)和研究內(nèi)容
理論基礎(chǔ):電磁波理論和普通物理中的光學(xué)知識主要內(nèi)容:研究光波在波導(dǎo)中傳輸規(guī)律,如傳播常數(shù),模式,場分布,偏振、色散,吸收特性及其應(yīng)用。光波攜帶的信息傳輸規(guī)律不屬于本課程內(nèi)容。以在線性空間,無損耗介質(zhì)波導(dǎo)為主要研究對象。
17光波被限制在波導(dǎo)中傳輸光纖基本原理——利用光的全內(nèi)反射
幾何光學(xué)近似下
n2
n
1n2
1
Ray
Cycle11
1
n
low
nhigh
導(dǎo)模12輻射模波導(dǎo)大小與限制光斑大小Index
contrast
SOI,
n=2
W=H=5
mGlass,
n=0.022
(1.5%)
5
m
5
m
TE
/
TM
High
index
contrast
Small
core
dimensions
ETE
x1Core
sizeW=H=0.1
mW=H=1.5
mW=H=0.3
mETEETM
10
10W
H平面波導(dǎo)——最基本波導(dǎo)結(jié)構(gòu)
模層方向包層n3芯層n1襯底n2
折射率
n1>
>n2,n3平面(平板)波導(dǎo)16
導(dǎo)波光學(xué)的發(fā)展概況和應(yīng)用光波導(dǎo)概念——水管導(dǎo)光的現(xiàn)象貝爾“光通信”實驗中,透鏡波導(dǎo)波導(dǎo)概念在微波領(lǐng)域最早應(yīng)用;現(xiàn)在意義上的光波導(dǎo)是在激光發(fā)明后的事;1961
年,
E.Snitze,
園截面介質(zhì)光波導(dǎo)中場分布模式的理論和實驗研究;1962年發(fā)明的p-n結(jié)半導(dǎo)體激光器,就是利用導(dǎo)波現(xiàn)象;1966年,光纖被提出可以作為光波導(dǎo)傳輸合適的介質(zhì);18
光的全反射應(yīng)用——光導(dǎo)管
1870年,英國物理學(xué)家丁達爾觀察到太陽光隨著水流發(fā)生彎曲。
光纖的發(fā)明:
英國人卡帕尼博士將此用于實際,發(fā)明了玻璃光導(dǎo)纖維:芯層+包層
(n芯層>n包層)
–光纖
19
早期的光通信
1880年,貝爾發(fā)明了第一個光電話,可以說是現(xiàn)代光通信的開端。光波傳播易受氣候的影響20反射波導(dǎo)和透鏡波導(dǎo)21
導(dǎo)波光學(xué)的發(fā)展概況現(xiàn)在意義上的光波導(dǎo)是在激光發(fā)明后的事;1961
年,
E.Snitze,
園截面介質(zhì)光波導(dǎo)中場分布模式的理論和實驗研究1962年發(fā)明的p-n結(jié)半導(dǎo)體激光器,就是利用導(dǎo)波現(xiàn)象;1966年,光纖被提出可以作為光波導(dǎo)傳輸合適的介質(zhì);(高錕——光纖之父)22
“光纖之父”----高錕博士1966年:高錕博士發(fā)表他的著名論文“光頻介質(zhì)纖維表面波導(dǎo)”首次明確提出,通過改進制備工藝,
,減少原材料雜質(zhì)
,
可使石英光纖的損耗大大下降
,并有可能拉制出損耗低于20dB/km的光纖,從而使光纖可用于通信之中。
2009年諾貝爾物理獎
K.
C.
Kao,
G.
A.
Hockham
(1966),
"Dielectric-fibre
surface
waveguides
for
optical
frequencies”,
Proc.
IEEE
113
(7):
1151–1158.23The
Nobel
Prize
in
Physics
2009"for
the
invention
of
an
imagingsemiconductor
circuit
–
the
CCDsensor""for
groundbreakingachievements
concerning
thetransmission
of
light
in
fibersfor
optical
communication"
Charles
K.
KaoStandard
Telecommunication
LaboratoriesHarlow,
United
Kingdom;Chinese
University
of
Hong
KongHong
Kong,
ChinaWillard
S.
Boyle
Bell
Laboratories
Murray
Hill,
NJ,
USAGeorge
E.
Smith
Bell
Laboratories
Murray
Hill,
NJ,
USA
24
光纖波導(dǎo)
在高錕理論的指導(dǎo)下,1970年美國的康寧公司拉出了第一根損耗為20dB/km的光纖,從此介質(zhì)波導(dǎo)在光纖通信、傳感等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。25目前已接近石英光纖的理論損耗<
0.1
dB/km
導(dǎo)波光學(xué)的發(fā)展概況1969年,Miller提出集成光學(xué)概念(IntegratedOptics)1970年,研制可實用化光纖(20dB/km);1970年,實現(xiàn)室溫下連續(xù)工作的LD,這是導(dǎo)波光學(xué)的貢獻;1972年,A.
Yarive提出光-電集成電路(OpticalElectronic
Integrated
Circuit,
OEIC)概念;
261969“集成光學(xué)”概念提出27波導(dǎo)的作用28集成光子回路光源光開關(guān)、濾波器等光纖探測器光調(diào)制器波導(dǎo)29
導(dǎo)波光學(xué)的發(fā)展概況80年代,基于微電子技術(shù)和光電子技術(shù)的快速發(fā)展,光-電集成電路實用化(LD+調(diào)制器→光發(fā)射)90年代,發(fā)展成為光子集成回路(Photonic
IntegratedCircuit,
PIC),平面光路(Plane
Lightwave
Circuit,
PLC)90年代后期,光子晶體(Photonic
Crystal,
PC)出現(xiàn)。本世紀(jì)初,
硅基光子器件的崛起,——
集成光學(xué)器件的產(chǎn)業(yè)化!30光功分器——FTTH芯片2014/10/2236
DEMUX
MUXNTT-ROADM
Optical
Switch
n
AWGAddStructure
of
ROADM40multi-chip
with
n
AWGDropAWGs
&
SWs
integrated
in
one
chip
Discrete
multi-chip
with
butt-couplingDiscrete
2014/10/22
fiber
interconnection2014/10/2241Recent
Progress
in
Silicon
Photonics432004年基于硅CMOS工藝
的1Ghz光調(diào)制器Recent
Progress
in
Silicon
Photonics2004年10月,
Nature,
硅基全光開關(guān)2005年5月,
Nature,
硅光子線調(diào)制器
47硅基混合集成電致激光器
UCSB
and
Intel48Recent
Progress
in
Silicon
Photonics
IBM2006年9月,
硅基光緩存49
NTT——硅基光延遲線與光緩存
2008年12月
Nature
Photonics,5052近幾年硅基光子學(xué)的發(fā)展情況2014/10/22
2010年提供硅基光電子器件代工服務(wù)
42IBM-Silicon
Integrated
Nanophotonics535560IBM
90nm
Silicon
Integrated
Nanophotonics
technology57Intel
推出
1.6Tb/s
的光互連技術(shù)
(2013-08)光互連在PC中的應(yīng)用59More
than
Moore
SiliconPhotonics61光子學(xué)摩爾定律62Laser
Photonics
Rev.
6,
No.
1,
1–13
(2012)相比摩爾定律63Filter
MultipleChannelsIntegrated
Optics
Research
ECL
ModulatorTIATIADriversCMOSCircuitry
PassiveAlignmentPhotodetectors
DEMUXIntegrated
in
SiliconTODAYDevice
level
–
Prove
silicon
viable
FUTUREMonolithic?Receiver
ChipDriver
ChipTaper
PhotodetectorPassive
AlignMUXLasersIntegrate
silicon
devices
into
hybrid
modules
In
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