1、第二章 平面介質(zhì)光波導(dǎo)和耦合模理論,2.0 光波導(dǎo)簡(jiǎn)介 2.1 平板光波導(dǎo)的射線光學(xué)分析 2.2 平板光波導(dǎo)的波動(dòng)光學(xué)分析 2.3 條形光波導(dǎo)的波動(dòng)方程分析 2.4 耦合模理論,2.0 光波導(dǎo)簡(jiǎn)介,定義：約束光傳輸?shù)慕橘|(zhì) 特性：長(zhǎng)距離限制光場(chǎng)和高傳播速度 導(dǎo)波光學(xué)：常把波導(dǎo)中光學(xué)現(xiàn)象（e.g傳播、耦合、調(diào)制）的研究稱為導(dǎo)波光學(xué),光波導(dǎo)理論：一個(gè)波導(dǎo)里能激勵(lì)不同導(dǎo)波模式的現(xiàn)象。 平面介質(zhì)光波導(dǎo)理論和耦合模理論是集成光學(xué)的理論基礎(chǔ)之一。 光波導(dǎo)的傳輸原理：在不同折射率的介質(zhì)分界面上，電磁波的全反射現(xiàn)象使光波局限在波導(dǎo)及其周?chē)邢迏^(qū)域內(nèi)。,2.0 光波導(dǎo)簡(jiǎn)介,光波導(dǎo)的傳輸損耗：光波沿波導(dǎo)傳播過(guò)程中存

2、在的損耗。 分為以下四種類型： 散射損耗（主要存在于玻璃或介質(zhì)波導(dǎo)中）； 吸收損耗（主要存在于半導(dǎo)體材料中）； 散射損耗（主要存在于彎折波導(dǎo)中）； 模式轉(zhuǎn)換損耗（波導(dǎo)中可能發(fā)生的向激勵(lì)模以外的導(dǎo)模轉(zhuǎn)換）,2.0 光波導(dǎo)簡(jiǎn)介,8. 光波導(dǎo)的分類(按照結(jié)構(gòu)分) (a)平板波導(dǎo)(slab waveguide) (b)條形波導(dǎo)(strip waveguide) (c)圓柱波導(dǎo)(cylindrical waveguide) 根據(jù)光波導(dǎo)中介質(zhì)折射率的分布形式： 折射率突變型（階躍型）：波導(dǎo)區(qū)的折射率恒定 折射率漸變型（梯度型）：波導(dǎo)區(qū)的折射率緩慢變化,階躍折射率分布,梯度折射率分布,(a)平板波導(dǎo),2.0

3、 光波導(dǎo)簡(jiǎn)介,(b)條形波導(dǎo),1. strip-loaded waveguide:,(a)在平板波導(dǎo)表面部分地加載介質(zhì)，加載介質(zhì)部分的波導(dǎo)的等效折射率會(huì)變大，這部分把光限制起來(lái)。,(b)加載金屬部分的等效折射率會(huì)減小，在空氣覆蓋層部分將起到波導(dǎo)功能。,2. ridge waveguide:,首先在襯底表面上，通過(guò)蒸發(fā)、濺射、擴(kuò)散、外延生長(zhǎng)等方法制作平板波導(dǎo)，然后刻蝕除去多余部分。,3. buried waveguide:,通過(guò)選擇性的擴(kuò)散、離子交換、離子注入、激光照射等方法，在接近襯底表面的地方形成高折射率的波導(dǎo)層。,2.0 光波導(dǎo)簡(jiǎn)介,(c)圓柱波導(dǎo)（光纖）,2.0 光波導(dǎo)簡(jiǎn)介,光波導(dǎo)技術(shù)的

4、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) AON DWDM OADM OTDM FTTC,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,2.0 光波導(dǎo)簡(jiǎn)介,2.1平板光波導(dǎo)的射線光學(xué)分析,光波導(dǎo)現(xiàn)象的物理基礎(chǔ) 光在光波導(dǎo)中的光學(xué)現(xiàn)象 導(dǎo)波光存在的條件,光波導(dǎo)現(xiàn)象的物理基礎(chǔ),全內(nèi)反射現(xiàn)象,超過(guò)臨界角時(shí)，全

5、然沒(méi)有透射光存在，這一現(xiàn)象稱為全內(nèi)反射，簡(jiǎn)稱全反射。 全內(nèi)反射現(xiàn)象可視作光波導(dǎo)現(xiàn)象的物理基礎(chǔ)。,光在光波導(dǎo)中的光學(xué)現(xiàn)象,波導(dǎo)薄膜的作用似一個(gè)聚焦透鏡，將光波聚焦在薄膜內(nèi)或?qū)⒐獠ㄏ拗圃诒∧?nèi)加以引導(dǎo)波導(dǎo)層薄膜也稱為光傳導(dǎo)膜,光在光波導(dǎo)中的光學(xué)現(xiàn)象,全反射臨界角：,由襯底一側(cè)入射的光按照Snell定律相繼經(jīng)歷兩次界面折射，均有部分光由覆蓋層和襯底逃逸，即輻射出去。,從波導(dǎo)層向襯底入射的光首先在襯底波導(dǎo)面發(fā)生折射和反射，然后在波導(dǎo)覆蓋層發(fā)生全反射，繼后在波導(dǎo)襯底界面再次發(fā)生折射和反射并部分進(jìn)入襯底中去。,光在光波導(dǎo)中的光學(xué)現(xiàn)象,在兩個(gè)界面均發(fā)生全內(nèi)反射，波導(dǎo)層內(nèi)的光被約束在其中沿鋸齒狀路徑傳播，并稱

6、之為傳導(dǎo)波或?qū)胁?束縛光線：光線在兩個(gè)界面上都滿足全反射條件。 折射光線：光線至少在一個(gè)界面上不滿足全反射條件。,光在光波導(dǎo)中的光學(xué)現(xiàn)象,光在光波導(dǎo)中的光學(xué)現(xiàn)象,導(dǎo)波光存在的條件,假定：導(dǎo)波沿z方向傳播，在x方向受到橫向約束，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和光場(chǎng)在y方向都是均勻無(wú)限的，引入沿z方向的傳播常數(shù)（波矢）,相關(guān)概念 本征模：從 可得出， 可能有多個(gè)解，對(duì)于每一個(gè)解就可能有一個(gè)導(dǎo)波存在，稱之為本征模。 m： 波導(dǎo)中允許有一組離散的本征模存在；每個(gè)本征模（模式或模）用一個(gè)序號(hào)m表示。 M非負(fù)整數(shù) m較小的模式稱為低階模，m較大的模式稱為高階模。 導(dǎo)波的主模：波導(dǎo)理論中，稱傳播常數(shù)最大（即截至波長(zhǎng)最大）的模式

7、為導(dǎo)波的主模。 模式截止：如果波導(dǎo)中某個(gè)模式開(kāi)始出現(xiàn)襯底輻射則這個(gè)模式截止，截止時(shí)波長(zhǎng)為截止波長(zhǎng)。,相關(guān)概念 單模傳輸條件：如果工作光波的波長(zhǎng)比主模式的截止波長(zhǎng)要短，但比次低階模式（截止波長(zhǎng)僅比主模式要短，但比其余所有模式的截止波長(zhǎng)要長(zhǎng)）的截止波長(zhǎng)要長(zhǎng)，則在此波導(dǎo)中只有主模才能傳播，其余所有的模式都是截止的，這個(gè)就是波導(dǎo)中單模傳輸條件。 弱導(dǎo)：當(dāng)波導(dǎo)層與襯底之間的折射率滿足 的條件時(shí)，光波導(dǎo)稱為“弱導(dǎo)”。弱導(dǎo)只是折射率差很小，能傳播的光波模式較少（即單模傳輸），但仍可能有強(qiáng)的導(dǎo)波作用。,倏逝波（衰逝波）,發(fā)生全反射時(shí)，光波場(chǎng)將透入到第二個(gè)介質(zhì)很薄的一層內(nèi)（約為光波波長(zhǎng)），并沿著界面?zhèn)鞑ヒ欢尉嚯x

8、，再返回第一個(gè)介質(zhì)。 這個(gè)透入到第二個(gè)介質(zhì)中表明層內(nèi)的波叫倏逝波（衰減波）。,漸消場(chǎng)（倏逝波）特點(diǎn),倏逝波是沿媒質(zhì)邊界z方向傳播的行波，但振幅在界面處最強(qiáng)，在 x方向按指數(shù)規(guī)律衰減，衰減系數(shù)為Kx ；波動(dòng)性體現(xiàn)在沿界面 z方向，縱向x方向無(wú)波動(dòng)性。 透射深度：振幅衰減為原振幅1/e的空間距離： 倏逝波的等幅面和等相面不 一致，且兩者正交。 沿界面z方向的行波傳播速度 和波長(zhǎng)取決于介質(zhì)1中的行波 速度和波長(zhǎng)。,倏逝波現(xiàn)象也就是光子隧道效應(yīng)： 從光的波動(dòng)和粒子二象性理解，在全反射條件下，界面相當(dāng)于勢(shì)壘，光子在界面法線方向動(dòng)量會(huì)減少，若能量小于勢(shì)壘，作為經(jīng)典粒子是不能穿越勢(shì)壘的；但是光子又具有波動(dòng)性， “波”可以穿越勢(shì)壘，如同穿越隧道，故又稱為光子隧穿效應(yīng)（photonic turnneling