光电子学2解读课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,湖南大学,物理与微电子科学学院，王玲玲,2016,年,3,月,物理与微电子科学学院,School of Physics and Microelectronics,Science,光电子学,第四章,光辐射在介质波导中的传播,第八讲,湖南大学 物理与微电子科学学院，王玲玲 2016 年 3,怎样理解光在非均匀介质传播路线曲线，低弯向高,n,区？,古斯,汉欣位移？原因？,安贝尔位移？,集成光学,第七讲要点回顾,怎样理解光在非均匀介质传播路线曲线，低弯向高n区？古斯汉欣,光辐射在介质波导中的传播,4,4-7,光纤损耗与色散,4-6,光纤中电磁波模式理论,4-4,矩形介质波导基本概念,4-3,平板波导的电磁理论,4-1,光在介质分界面上的反射与折射,4-8,光波导装置与应用,4-5,光纤中的射线分析（上、下）,4-2,介质平板光波导的射线分析方法,光辐射在介质波导中的传播 4 4-7 光纤损,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,导,四、渐变折射率平板波,阶导模截止厚度,第,阶导模截止频率,第,模式数量,三、导模截止,二、导模特点与模方程,一、平板波导模式,析方法,介质平板光波导射线分,本讲内容：,m,.,3,m,.,2,.,1,4-1,光在介质分界面上,反射与折射,4-2,介质平板上光波导,射线分析方法,4-3,平板波导电,磁理论,4-4,矩形介质波导,基本概念,4-5,光纤中射,线分析,4-6,光纤中电磁波,模式理论,4-7,光纤损耗,与色散,4-8,光波导装置,与应用,?导四、渐变折射率平板波阶导模,思路：,先：,入射线界面入射角关系，是否全反射，波导模式及存在关系；,次：,由锯齿光线波矢量图，光在膜层传播几何关系，,直接,与,间接波,叠加，得平板波导,特征或色散方程,；,讨论：,特征方程得导模截止模方程，确定截止参数；,后：,光线非均匀介质传播路线曲线，,得渐变折射率平板波导模方程。,4-1,光在介质分界面上,反射与折射,4-2,介质平板上光波导,射线分析方法,4-3,平板波导电,磁理论,4-4,矩形介质波导,基本概念,4-5,光纤中射,线分析,4-6,光纤中电磁波,模式理论,4-7,光纤损耗,与色散,4-8,光波导装置,与应用,思路：先：入射线界面入射角关系，是否全反射，波导模式,第八讲要点,平板波导,特征或色,散方程,平板波导,模式及存,在关系,渐变折射,率平板波,导模方程,1,3,2,第八讲要点 平板波导特征或色散方程 平板波导模式及存,圆柱波导（光纤）,矩形波导（条形）,薄膜波导（平板）,4-1,光在介质分界面上,反射与折射,4-2,介质平板上光波导,射线分析方法,4-3,平板波导电,磁理论,4-4,矩形介质波导,基本概念,4-5,光纤中射,线分析,4-6,光纤中电磁波,模式理论,4-7,光纤损耗,与色散,4-8,光波导装置,与应用,一、平板波导的模式,二、导模的特点与模方程,三、导模的截止,四、渐变折射率平板波导,圆柱波导（光纤）矩形波导（条形）薄膜波导（平板）,平板波导,结构，,三层平薄介质组成：,中间,膜厚,1-10,m,，,n,1,，光波传播；,底层,衬底，,n,2,；,上,包层，,n,3,；空气,n,3,=1,，,三层,n,：,n,1,与,n,2,差,10,-3,-10,-1,；,波导沿,y,尺寸大（不受限），,理论：,平板波导,结构,和,n,分布沿,y,不变,光,在,膜，衬底,及,包层界面全,反射，,膜内,锯齿形光路传播。,沿,z,传播，,x,受限，,y,不受限。,4-1,光在介质分界面上,反射与折射,4-2,介质平板上光波导,射线分析方法,4-3,平板波导电,磁理论,4-4,矩形介质波导,基本概念,4-5,光纤中射,线分析,4-6,光纤中电磁波,模式理论,4-7,光纤损耗,与色散,4-8,光波导装置,与应用,一、平板波导的模式,二、导模的特点与模方程,三、导模的截止,四、渐变折射率平板波导,1,n,2,n,3,n,d,),(,x,n,x,3,2,1,n,n,n,?,?,y,z,x,d,?,1,n,2,n,1,n,3,衬底,薄膜,敷层,n,1,n,2,n,3,平板波导结构，三层平薄介质组成：中间膜厚1-10,平板波导,：,衬底,和,包层,材料不同（,n,不同）,非对称；,两者同,对称型；,讨论：,各层材料,均匀，非对称。,n,：,光,下界面,全反射,临界角：,光,上界面,全反射,临界角,:,4-1,光在介质分界面上,反射与折射,4-2,介质平板上光波导,射线分析方法,4-3,平板波导电,磁理论,4-4,矩形介质波导,基本概念,4-5,光纤中射,线分析,4-6,光纤中电磁波,模式理论,4-7,光纤损耗,与色散,4-8,光波导装置,与应用,一、平板波导的模式,二、导模的特点与模方程,三、导模的截止,四、渐变折射率平板波导,),1,2,4,)(,arcsin(,1,2,12,?,?,?,n,n,?,),2,2,4,)(,arcsin(,1,3,13,?,?,?,n,n,?,3,2,1,n,n,n,?,?,1,n,2,n,3,n,d,),(,x,n,x,),5,1,4,)(,(,sin,1,2,1,2,?,?,?,?,n,n,n,n,c,?,平板波导：衬底和包层材料不同（n不同）非对,?,导波：,?,膜与下界面平面波,全反射临界角,?,c,12,?,膜与上界面平面波,全反射临界角,?,c,13,2,12,1,arcsin,c,n,n,?,?,1,3,13,c,n,n,arcsin,?,y,z,x,d,?,1,n,2,n,1,n,3,衬底,薄膜,敷层,n,1,n,2,n,3,13,12,c,c,?,?,?,入射角满足,?,90,1,12,13,?,?,?,?,?,?,c,c,1,sin,1,1,2,1,3,?,?,?,?,n,n,n,n,入射平面波上下界面全反射,导波,4-1,光在介质分界面上,反射与折射,4-2,介质平板上光波导,射线分析方法,4-3,平板波导电,磁理论,4-4,矩形介质波导,基本概念,4-5,光纤中射,线分析,4-6,光纤中电磁波,模式理论,4-7,光纤损耗,与色散,4-8,光波导装置,与应用,一、平板波导的模式,二、导模的特点与模方程,三、导模的截止,四、渐变折射率平板波导,?导波：?膜与下界面平面波全反射临界角?c12?膜与,入射角,光线平板波导传播,2,0,?,?,从,i,(1),，入射光上下界面全反射。,光波限制在膜内沿,z,传播。,EM,波,导膜。,膜内,x,向,驻波,，,包层及衬底场振幅,x,向指数衰减,消失场,；,0,3,0,2,0,1,13,12,k,n,k,n,k,n,i,?,?,?,?,?,?,?,?,?,或,4-1,光在介质分界面上,反射与折射,4-2,介质平板上光波导,射线分析方法,4-3,平板波导电,磁理论,4-4,矩形介质波导,基本概念,4-5,光纤中射,线分析,4-6,光纤中电磁波,模式理论,4-7,光纤损耗,与色散,4-8,光波导装置,与应用,沿入射面介质边界（,z,）行波，振幅随与界面距离,x,指数衰减，,倏逝波,；,),11,1,4,(,sin,cos,0,1,1,0,1,1,?,?,?,?,?,?,?,?,i,z,i,x,k,n,k,k,n,k,一、平板波导的模式,二、导模的特点与模方程,三、导模的截止,四、渐变折射率平板波导,x,d,O,1,n,2,n,3,n,i,?,i,?,z,）导模,a,(,消失波,消失波,驻波,?,临界角不穿过全反射,入射角 光线平板波导传,(2),，,衬底,或,包层,射入膜光波上下界面不,全反,射，,部分进入,包层,或,衬底；,光能量未限制膜内，辐射,衬底,和,包,层,两,半无限空间，,EM,波,包层膜；,注：,包层模,衬底,和,包层,入射两平面波,叠成，,薄膜，衬底，包层,x,向,驻波。,0,0,0,3,13,?,?,?,?,?,?,?,k,n,i,或,导膜,0,3,0,2,0,1,13,12,k,n,k,n,k,n,i,?,?,?,?,?,?,?,?,?,或,4-1,光在介质分界面上,反射与折射,4-2,介质平板上光波导,射线分析方法,4-3,平板波导电,磁理论,4-4,矩形介质波导,基本概念,4-5,光纤中射,线分析,4-6,光纤中电磁波,模式理论,4-7,光纤损耗,与色散,4-8,光波导装置,与应用,一、平板波导的模式,二、导模的特点与模方程,三、导模的截止,四、渐变折射率平板波导,驻波,1,n,2,n,3,n,i,?,i,?,包层模,),(,b,驻波,驻波,辐射模,(2),(3),，衬底射到膜光波，上界面全反射折,回衬底，辐射到衬底半无限空间，,EM,波,衬底模；,0,3,0,2,13,12,k,n,k,n,i,?,?,?,?,?,?,?,?,或,衬底模,在,膜,和,衬底,形成沿,x,向,驻波，包,层,形成场振幅沿,x,向指数衰减,消失波；,包层,和,衬底模,辐射模（射出膜层）；,导膜,0,3,0,2,0,1,13,12,k,n,k,n,k,n,i,?,?,?,?,?,?,?,?,?,或,0,0,0,3,0,2,13,12,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,k,n,k,n,i,或,包层膜,4-1,光在介质分界面上,反射与折射,4-2,介质平板上光波导,射线分析方法,4-3,平板波导电,磁理论,4-4,矩形介质波导,基本概念,4-5,光纤中射,线分析,4-6,光纤中电磁波,模式理论,4-7,光纤损耗,与色散,4-8,光波导装置,与应用,一、平板波导的模式,二、导模的特点与模方程,三、导模的截止,四、渐变折射率平板波导,消失波,1,n,2,n,3,n,z,i,?,衬底模,),(,c,驻波,驻波,辐射模,?,大不穿过,(3),?,，,下界面全反射破坏,，,，上下界面全反射条件破坏；,?,部分能量膜辐射出，,辐射模。,?,导波能量集中薄膜导行，,?,薄膜波导由它传输光波,导模。,?,辐射模通过界面向外辐射能量，不希望存在寄生波。,?,临界角不穿过，全反射,0,3,0,2,13,12,k,n,k,n,i,?,?,?,?,?,?,?,?,或,0,0,0,3,0,2,13,12,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,k,n,k,n,i,或,0,3,0,2,0,1,13,12,k,n,k,n,k,n,i,?,?,?,?,?,?,?,?,?,或,4-1,光在介质分界面上,反射与折射,4-2,介质平板上光波导,射线分析方法,4-3,平板波导电,磁理论,4-4,矩形介质波导,基本概念,4-5,光纤中射,线分析,4-6,光纤中电磁波,模式理论,4-7,光纤损耗,与色散,4-8,光波导装置,与应用,一、平板波导的模式,二、导模的特点与模方程,三、导模的截止,四、渐变折射率平板波导,?,0,3,0,2,13,12,k,n,k,n,i,?,?,?,?,?,?,?,?,或,导,膜,0,3,0,2,0,1,13,12,k,n,k,n,k,n,i,?,?,?,?,?,?,?,?,?,或,0,0,0,3,0,2,13,12,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,k,n,k,n,i,或,包层膜,衬底膜,平板波导模式,关系：,4-1,光在介质分界面上,反射与折射,4-2,介质平板上光波导,射线分析方法,4-3,平板波导电,磁理论,4-4,矩形介质波导,基本概念,4-5,光纤中射,线分析,4-6,光纤中电磁波,模式理论,4-7,光纤损耗,与色散,4-8,光波导装置,与应用,一、平板波导的模式,二、导模的特点与模方程,三、导模的截止,四、渐变折射率平板波导,x,d,O,1,n,2,n,3,n,i,?,i,?,z,）导模,a,(,消失波,消失波,驻波,消失波,1,n,2,n,3,n,z,i,?,衬底模,),(,c,驻波,驻波,辐射模,驻波