光波导基本理论专业知识讲座.ppt

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,*,本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。,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,*,本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。,平面光波导的类型,按几何形状划分：,平板波导,条形波导,脊形波导,按折射率分布划分：,阶跃型,渐变型,一维受限（平板）和二维受限（条形）波导,Z,X,Y,Y,X,平面光波导的类型,平板波导,条形（矩形）波导,n,high,n,low,n,low,n,high,n,low,脊形波导,n,high,n,low,n,low,1-d,光限制,2-d,光限制,cladding,cladding,core,core,cladding,阶跃折射率光纤,渐变折射率,(GRIN),光纤,core,cladding,基本,概念回忆：内反射,光在玻璃里入射到与空气交接的界面上,将发生什么,?,air,glass,内反射,入射能量分为反射和折射两束：强度满足菲涅尔定律,.,折射角,C,光将全部留在玻璃里面,.,反射光,air,glass,入射光,这被称为,全内反射,.,临界角,Snells,折射定律,:,全内反射：临界角,n,2,n,1,n,2,Incident,light,Transmitted,(refracted)light,Reflected,light,k,t,TIR,Evanescent wave,k,i,k,r,(,a,),(,b,),(,c,),and total internal reflection(TIR).,2.1-4,Critical angle,思考：一只鱼或一个潜水员在水下仰望天空，大概是什么样的？,鱼眼看天空,water,全反射,水下的天空,为什么图片中天空是这样的,total internal,reflection here,sky(refraction here),平面波导射线分析,光线只有全反射才能在波导里稳定传输,n,1,n,2,n,2,波导内入射角,q,c,全反射形式稳定传输,波导的数值孔径,如果将光耦合进入波导稳定传输，那么在空气中的入射角应满足什么条件,最大入射角,可以从,Snells,定律求得,波导数值孔径,数值孔径,:,集成光电子学构成的基本形式,光纤,平面光波导,平面光波导理论,电磁场分析与射线分析,为什么要研究这个问题？,能对物理光学、激光原理的一些重要概念有更深入的认识,能理解光通信的作用原理,是基于光纤波导应用方向，如光纤传感等得以存在的根本所在,以下分析过程会不断提问，请紧跟我的思路，理解了整个过程，是掌握以上问题的关键！,p-polarization:,TM,E-field,平行于入射平面,s-polarization:,TE,E-field,垂直于入射平面,z,-x,y,q,1,H,z,q,2,x,=0,e,1,e,2,E,y,H,H,x,z,-x,y,q,1,E,z,E,x,q,2,x,=0,e,1,e,2,H,y,E,入射偏振态,回忆：在电磁场与电磁波的学习中是如何分析图示的平板波导结构的？,TE,偏振,TM,偏振,思考：中间折射率大，上下折射率小，在这样的平板波导里光场是如何分布的？,思考：为什么会有个指数衰减的尾巴？,x,z,0,-h,x,光强,0,-h,E,1,E,2,E,3,正弦余弦振荡,指数衰减,指数衰减,然后使用边界连续条件,E,、,H,切向连续,D,、,B,法向连续,以,TE,偏振为例：,猜想其在,E,y,分量在,x,方向的场分布满足什么形式，电磁场才能稳定向,z,向传播,以,TE,偏振为例,思考，,E,、,H,切向连续条件怎么用？,E,y,、,H,z,在界面处连续,连续,连续,连续,n,2,连续,TE,偏振的本征方程,思考：该式是否可以化简成一个更简明的形式？,思考：该方程中各字母的物理意义,是相位,的单位,1,、,2,界面反射时产生的相位,1,、,3,界面反射时产生的相位,K,为,x,方向的波矢,思考：光在,1,、,2,和,1,、,3,表面全反射时分别产生了一个附加相位，为什么？,思考：全反射时相位是否会发生改变？,从射线光学角度重新分析,TE,偏振的本征方程,入射角对反射系数相位的影响,光疏,光密,光密,光疏,思考：全反射时发生的相位变化大小怎么求？,只要想到反射折射的大小变化，首先想到菲涅尔公式,当全反射发生时,根号为虚数，因此此时的反射系数为一复数,思考：,和,分别具有什么物理意义？,思考：全反射时的相位变化究竟怎么产生的？,思考：光在传输过程里如何产生相位变化？,相位不存在突变之说，相位的产生途径只有一个，即传输一段距离，即相位变化源自于,思考：从以上分析可以得到什么必然结论？,全反射时，光不是于入射点终止，而是,前进了一段又回来了,古斯汉欣,(Goos-Hanchen),位移,在全反射发生时，实际入射光会部分进入光疏介质，形式上相当于反射点相对入射点有个偏移距离,古斯汉欣位移,思考：这个位移,究竟有多大呢？,TM,偏振的本征方程,前面讨论都是由电磁场理论，对,TE,偏振求解获得的，对,TM,偏振也可以获得类似的解,思考：和,TE,偏振相比，上式有何区别？,思考：为什么光纤由芯层和包层组成，只有芯层行不行？,根据以上知识猜测光纤传感及集成生物检测芯片的物理原理,光在光纤中传输时，感测外界环境变化对光的强度,波长,频率,相位,偏振态等光学性质的变化 的影响,思考：下面的光栅主要损耗来源,n1,n2,如果,n1,是硅，折射率为,3.4,；,n2,是空气，折射率为,1,光栅尖角为,45,度,思考：从上次课可以看到，光要想耦合进入波导或光纤稳定传输，入射角必须小于某个值,0,，但是否只要小于该角度就能稳定传输呢？,只有满足这个条件（本征方程）的光才可能稳定传输。每个,m,取值代表本征方程的一个解。,所以，能够稳定传输的,0,是不连续的。,对,s,（,TE,）偏振，,以 为变量，对方程左右两边分别作出曲线,假设,n,2,=,n,3,，即,p,=,q,本征方程,每个交点就是关于,h,方程的一个解,假设,n2=n3,，即,p=q,思考：波导芯层厚度对解的数量有什么影响？,还需满足解出的,大于临界角,思考：波导芯层折射率,n,1,对解的数量有什么影响？,思考：解的数量还和什么因素有关？,影响平板波导本征解数量的因素,芯层厚度越厚，解越多,芯层折射率越大，解越多,芯层包层折射率差别越大，解越多,光强,0,-h,E,1,E,2,E,3,任意波导的本征解,注意前面只是对最简单的三层平板波导结构分析获得的。而对更复杂的波导，求解思路一样，但解的形式会更复杂。,影响解的数量的因素是一样的（,芯层尺寸、芯层折射率、芯层和包层间的折射率差,）。,思考：光纤的基本结构,为何使用包层？,为何波导材料是二氧化硅而不是硅？,为何光纤芯层厚度在,8-10,微米左右？,为何包层和芯层的折射率差别只有不到,1%,？,为了让最后的本征解有且只有一个！,思考原因,多模色散,思考：从射线光学的角度，不同模式沿,z,方向传输速度不同，这会导致什么后果？,现在是否理解光通信,为何要用单模光纤？,平面波导的模式,麦克斯韦方程组可以精确的描述任意电磁波的物理行为。,在给定边界条件下，麦克斯韦方程组的本征解被定义为“,模,”,在自由空间里，麦克斯韦方程组有无穷多解，且解连续,但当光在某个方向上受限时，方程组的解开始被限定了，限定条件越苛刻，解的数量，即模式数量就越少,平板波导中,TE,偏振光的模,z,y,思考：线性代数求解过程的物理含义,在线性代数里什么叫做本征解？,本征解具有什么特征？,“,模”：麦克斯韦方程组在给定边界条件下的本征解。,边界条件：即给定的光学结构，在集成光电子学里，即给定的波导结构，如三层平板波导、同心圆柱形的光纤、矩形横截面的波导等,思考：如果光纤里有两个模，他们之间是否会能量传递？,正交独立,条形波导中的模式,光在波导里的传输,light,?,思考,:,如果光在一个多模条形波导里面传输,我们能在输出截面上看到什么,?,A,B,C,D,光在波导里的传输,light,?,当波导芯层是宽,500nm,，厚,220nm,的硅，包层是二氧化硅时，只存在一个模,如果芯层和包层宽度都变为,1,微米,思考：原因,思考：,和,分别具有什么物理意义？,内容回顾,思考：波导芯层厚度对解的数量有什么影响？,还需满足解出的,大于临界角,思考：波导芯层折射率,n,1,对解的数量有什么影响？,思考：解的数量还和什么因素有关？,影响平板波导本征解数量的因素,芯层厚度越厚，解越多,芯层折射率越大，解越多,芯层包层折射率差别越大，解越多,多模干涉,请思考相干条件,不同模式是否符合相干条件？,波长相同、相差恒定、,振动方向相同,对一个多模波导或光纤，你是否能辨别出每个模式？,线性独立本征解的线性叠加,从量子力学的角度来看平板波导对光的束缚,Helmholtz equation:,x,n,n,core,n,clad,n,core,n,clad,n,clad,Schrdinger equation:,?,V,x,V,0,V,well,1-d potential well(particle in a well),E,1,E,2,E,3,离散能级,(,能态,),势阱越深将支持更多的能级,离散的传播常数值,波导越宽折射率差越大，可容纳的模数就越多,硅片上的条形波导,Single-crystal,Silicon,Silicon oxide cladding,Silicon substrate,x,x,n,n,Si,n,SiO2,V,x,QM analogy,Tunneling!,Unfortunately quantum tunneling does not work for cars!,波导间的能量耦合,WG 1,WG 2,Cladding,x,V,x,Modal overlap!,思考：当只从波导,WG1,内输入一定光时，可能会发生什么现象？,注意,WG1,和,WG2,内可以传输同一种模式，且模式有重叠部分，因此任意一根波导里有了以该模式分布的能量，都会向另外一根波导内耦合。,基于波导的集成光电子器件波导间不能靠的太近，为什么？,相互耦合的光波导之间的模式耦合,z,1,2,拍长,/k,n,思考：,能否发挥想象，利用这个现象做一些现实应用？,波导耦合器,Optical power,Propagation distance,拍长,/k,3dB direction coupler,思考：,如果要制作一个,1:4,分束比的耦合器该怎么做？,总结,平面波导三个概念：全反射、,数值孔径、古斯汉欣位移,能够体会,波导模式,的物理意义，理解,与波导模式相关的三个因素,理解平面波导的,本征方程及其体现的物理含义,，思考由此引发的光纤结构、单模光纤的应用等问题,能灵活使用本章理论解释一些实际问题,第一章 光波导基本理论,几何光学：全反射、数值孔径,“织网式”教学实践,电磁场与电磁波：平板波导本征方程,数学物理方程方法,物理光学：本征方程的物理意义，全反射，临界角，菲涅尔定律,激光原理：模式的概念,光通信：光纤的构成，使用单模光纤的原因,光纤传感：古斯汉欣位移的应用,线性代数：模式（线性独立本征解）及特性,量子力学：三层平板波导模式与量子阱能级概念对比,在第一章里，教学尝试将九门专业课的知识体系有机联系起来！,