第3章345波动光学基础.pptx
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1、13.1 3.1 电磁波电磁波3.2 3.2 色散、脉冲畸变和信息速率色散、脉冲畸变和信息速率 3.3 3.3 偏振偏振3.4 3.4 谐振腔谐振腔3.5 3.5 平面边界上的反射平面边界上的反射3.6 3.6 全反射临界角全反射临界角3.7 3.7 总结和讨论总结和讨论2图图图图3.133.133.133.13给给给给出出出出了了了了一一一一个个个个简简简简单单单单平平平平面面面面波波波波的的的的矢矢矢矢量量量量E E E E与与与与传传传传播播播播方方方方向向向向的的的的关关关关系系系系。波波波波沿沿沿沿z z z z轴轴轴轴方方方方向向向向传传传传播播播播,电电电电场场场场矢矢矢矢量量量
2、量指指指指向向向向x x x x轴轴轴轴方方方方向向向向。如如如如果果果果电电电电场场场场仅仅仅仅指指指指向向向向一一一一个个个个方方方方向向向向,则则则则称称称称为为为为线线线线偏偏偏偏振振振振,因因因因为为为为该该该该指指指指向向向向总总总总是是是是在在在在同同同同一一一一直直直直线线线线上。上。上。上。3.3 3.3 偏振偏振图图图图3.13 3.13 3.13 3.13 电场矢量沿电场矢量沿电场矢量沿电场矢量沿x x x x轴方向轴方向轴方向轴方向偏振,沿偏振,沿偏振,沿偏振,沿z z z z轴方向传播的波轴方向传播的波轴方向传播的波轴方向传播的波在在在在无无无无边边边边界界界界的的的
3、的介介介介质质质质中中中中传传传传播播播播的的的的平平平平面面面面波波波波,其其其其电电电电场场场场矢矢矢矢量量量量总总总总是是是是与与与与传传传传播播播播方方方方向向向向正正正正交交交交。图图图图3.133.133.133.13中中中中,平平平平面面面面波波波波沿沿沿沿z z z z轴轴轴轴方方方方向向向向传传传传播播播播时时时时,其其其其电电电电场场场场矢矢矢矢量量量量也也也也可以指向可以指向可以指向可以指向y y y y轴方向。轴方向。轴方向。轴方向。实实实实际际际际的的的的偏偏偏偏振振振振方方方方向向向向是是是是由由由由光光光光源源源源的的的的偏偏偏偏振振振振方方方方向向向向和和和和光
4、光光光波波波波所所所所通通通通过过过过的的的的偏偏偏偏振振振振敏敏敏敏感元件特性决定的。感元件特性决定的。感元件特性决定的。感元件特性决定的。图图图图3.13 3.13 3.13 3.13 电场矢量沿电场矢量沿电场矢量沿电场矢量沿x x x x轴方向轴方向轴方向轴方向偏振,沿偏振,沿偏振,沿偏振,沿z z z z轴方向传播的波轴方向传播的波轴方向传播的波轴方向传播的波可可可可能能能能同同同同时时时时有有有有两两两两列列列列波波波波沿沿沿沿z z z z轴轴轴轴方方方方向向向向传传传传播播播播,其其其其中中中中一一一一个个个个是是是是x x x x方方方方向向向向偏偏偏偏振振振振,一一一一个个个
5、个是是是是y y y y轴轴轴轴方方方方向向向向偏偏偏偏振振振振的的的的。因因因因为为为为偏偏偏偏振振振振方方方方向向向向相相相相互互互互正正正正交交交交,因因因因此此此此这这这这两两两两束束束束波波波波是相互独立的。是相互独立的。是相互独立的。是相互独立的。经经经经常常常常用用用用“模模模模式式式式”这这这这一一一一术术术术语语语语来来来来指指指指出出出出一一一一个个个个电电电电磁磁磁磁波波波波在在在在确确确确定定定定方方方方向向向向传传传传播播播播时时时时不不不不同同同同的的的的特特特特性性性性。这这这这两两两两束束束束相相相相互互互互独独独独立立立立的的的的波波波波也也也也可可可可以以以
6、以说说说说成成成成是是是是无无无无边边边边界界界界介介介介质质质质中中中中的平面波模式。的平面波模式。的平面波模式。的平面波模式。也也也也有有有有可可可可能能能能出出出出现现现现其其其其他他他他模模模模式式式式,其其其其偏偏偏偏振振振振方方方方向向向向在在在在xyxyxyxy平平平平面面面面内内内内,与与与与x x x x轴轴轴轴和和和和y y y y轴轴轴轴成成成成一一一一定定定定角角角角度度度度。xyxyxyxy平平平平面面面面内内内内任任任任意意意意方方方方向向向向的的的的电电电电场场场场矢矢矢矢量量量量都都都都可可可可以以以以分分分分解解解解成成成成x x x x方方方方向向向向和和和
7、和y y y y方方方方向向向向两两两两个个个个分分分分量量量量,所所所所以以以以这这这这样样样样一一一一个个个个电电电电场场场场矢矢矢矢量量量量可可可可以以以以看看看看成成成成是是是是由由由由上上上上面描述的两个模式所组成的面描述的两个模式所组成的面描述的两个模式所组成的面描述的两个模式所组成的。图图图图3.13 3.13 3.13 3.13 电场矢量沿电场矢量沿电场矢量沿电场矢量沿x x x x轴方向轴方向轴方向轴方向偏振,沿偏振,沿偏振,沿偏振,沿z z z z轴方向传播的波轴方向传播的波轴方向传播的波轴方向传播的波5如如如如果果果果一一一一个个个个电电电电磁磁磁磁波波波波的的的的电电电
8、电场场场场矢矢矢矢量量量量的的的的取取取取向向向向是是是是随随随随机机机机的的的的,则则则则该该该该电电电电磁磁磁磁波波波波称为非偏振波。在光纤中传播的绝大多数波读书非偏振的。称为非偏振波。在光纤中传播的绝大多数波读书非偏振的。称为非偏振波。在光纤中传播的绝大多数波读书非偏振的。称为非偏振波。在光纤中传播的绝大多数波读书非偏振的。在在在在一一一一个个个个波波波波导导导导结结结结构构构构中中中中,例例例例如如如如在在在在光光光光纤纤纤纤中中中中,可可可可能能能能存存存存在在在在很很很很多多多多模模模模式式式式。偏振仅仅是波导中各种不同模式之中的一种。偏振仅仅是波导中各种不同模式之中的一种。偏振仅
9、仅是波导中各种不同模式之中的一种。偏振仅仅是波导中各种不同模式之中的一种。有有有有关关关关模模模模式式式式的的的的概概概概念念念念将将将将在在在在第第第第4 4 4 4章章章章、第第第第五五五五章章章章中中中中进进进进一一一一步步步步介介介介绍绍绍绍。模模模模式式式式概概概概念对光通信系统的设计即其传输容量起着非常重要的作用。念对光通信系统的设计即其传输容量起着非常重要的作用。念对光通信系统的设计即其传输容量起着非常重要的作用。念对光通信系统的设计即其传输容量起着非常重要的作用。3.3 3.3 偏振偏振6一一一一个个个个射射射射频频频频振振振振荡荡荡荡器器器器一一一一般般般般由由由由一一一一个
10、个个个放放放放大大大大器器器器、一一一一个个个个调调调调谐谐谐谐电电电电路路路路和和和和一一一一个个个个反馈装置反馈装置反馈装置反馈装置构成。构成。构成。构成。uu反反反反馈馈馈馈装装装装置置置置将将将将放放放放大大大大器器器器的的的的输输输输出出出出回回回回到到到到输输输输入入入入端端端端,使使使使得得得得信信信信号号号号周周周周期期期期性性性性地通过放大器,从而得到充分放大。地通过放大器,从而得到充分放大。地通过放大器,从而得到充分放大。地通过放大器,从而得到充分放大。uu经经经经过过过过一一一一个个个个极极极极短短短短的的的的时时时时间间间间后后后后达达达达到到到到稳稳稳稳态态态态状状状
11、状态态态态,这这这这时时时时系系系系统统统统的的的的损损损损耗耗耗耗(从从从从振振振振荡荡荡荡器器器器获获获获得得得得的的的的有有有有用用用用的的的的功功功功率率率率输输输输出出出出,再再再再加加加加上上上上其其其其他他他他损损损损耗耗耗耗,例例例例如如如如发发发发热热热热)正正正正好好好好等等等等于于于于从从从从放放放放大大大大器器器器获获获获得得得得的的的的增增增增益益益益。达达达达到到到到稳稳稳稳态态态态状状状状态后,振荡器保持恒定的输出功率。态后,振荡器保持恒定的输出功率。态后,振荡器保持恒定的输出功率。态后,振荡器保持恒定的输出功率。uu调谐电路决定振荡器的振荡频率。调谐电路决定振荡
12、器的振荡频率。调谐电路决定振荡器的振荡频率。调谐电路决定振荡器的振荡频率。3.4 3.4 谐振腔谐振腔激激激激光光光光器器器器是是是是一一一一个个个个极极极极高高高高频频频频的的的的振振振振荡荡荡荡器器器器,称称称称其其其其为为为为光光光光振振振振荡荡荡荡器器器器更更更更为为为为准准准准确确确确。其其其其功功功功能能能能与与与与低低低低频频频频振振振振荡荡荡荡的的的的相相相相似似似似。图图图图3.143.143.143.14中中中中的的的的激激激激光光光光器器器器有有有有圆圆圆圆柱柱柱柱形形形形介介介介质质质质及及及及其其其其两两两两个个个个端端端端面面面面的的的的反反反反射射射射镜镜镜镜构构
13、构构成成成成,介介介介质质质质起起起起放放放放大大大大作作作作用用用用。介介介介质质质质的的的的特性决定了激光器的输出频率和谱宽。特性决定了激光器的输出频率和谱宽。特性决定了激光器的输出频率和谱宽。特性决定了激光器的输出频率和谱宽。uu反反反反射射射射镜镜镜镜为为为为光光光光振振振振荡荡荡荡器器器器提提提提供供供供反反反反馈馈馈馈,使使使使光光光光反反反反复复复复通通通通过过过过放放放放大大大大介介介介质质质质。光从激光器的一个部分透光的镜面输出。光从激光器的一个部分透光的镜面输出。光从激光器的一个部分透光的镜面输出。光从激光器的一个部分透光的镜面输出。图图图图3.14 3.14 3.14 3
14、.14 激光器激光器激光器激光器有有有有些些些些激激激激光光光光器器器器的的的的两两两两个个个个镜镜镜镜面面面面都都都都可可可可以以以以透透透透光光光光,允允允允许许许许从从从从器器器器件件件件的的的的两两两两端端端端获获获获得得得得光光光光功功功功率率率率输输输输出出出出,这这这这对对对对光光光光纤纤纤纤通通通通信信信信系系系系统统统统中中中中的的的的半半半半导导导导体体体体激激激激光光光光器器器器非非非非常常常常有有有有价价价价值。值。值。值。uu一一一一个个个个发发发发光光光光面面面面发发发发出出出出的的的的光光光光被被被被耦耦耦耦合合合合进进进进传传传传输输输输光光光光纤纤纤纤,另另另
15、另一一一一个个个个端端端端面面面面发发发发出的光用来监测光源的状态出的光用来监测光源的状态出的光用来监测光源的状态出的光用来监测光源的状态。uu这这这这样样样样能能能能很很很很快快快快检检检检测测测测到到到到光光光光功功功功率率率率的的的的起起起起伏伏伏伏,通通通通过过过过驱驱驱驱动动动动电电电电路路路路的的的的自自自自动动动动调整使得激光器发光功率保持在平稳状态。调整使得激光器发光功率保持在平稳状态。调整使得激光器发光功率保持在平稳状态。调整使得激光器发光功率保持在平稳状态。图图图图3.143.143.143.14中中中中的的的的两两两两个个个个端端端端面面面面反反反反射射射射镜镜镜镜构构构
16、构成成成成了了了了一一一一个个个个谐谐谐谐振振振振腔腔腔腔(通通通通常常常常称称称称为为为为法法法法布布布布里里里里-珀珀珀珀罗罗罗罗腔腔腔腔),在在在在腔腔腔腔体体体体内内内内存存存存在在在在两两两两束束束束波波波波,一一一一束束束束向向向向右右右右传传传传播播播播,一一一一束向左传播。束向左传播。束向左传播。束向左传播。图图图图3.14 3.14 3.14 3.14 激光器激光器激光器激光器在在在在图图图图3.153.153.153.15中中中中,画画画画出出出出了了了了光光光光波波波波在在在在长长长长度度度度L L L L的的的的谐谐谐谐振振振振腔腔腔腔内内内内不不不不同同同同时时时时刻
17、刻刻刻的的的的波波波波形。形。形。形。图图图图3.15 3.15 3.15 3.15 光波在长度光波在长度光波在长度光波在长度L L L L的谐振腔内不同时刻的波形的谐振腔内不同时刻的波形的谐振腔内不同时刻的波形的谐振腔内不同时刻的波形电电电电磁磁磁磁波波波波会会会会相相相相互干涉。互干涉。互干涉。互干涉。当当当当波波波波具具具具有有有有相相相相同同同同的的的的相相相相位位位位时时时时,干干干干涉涉涉涉相相相相长长长长。相相相相位位位位相相相相差差差差干涉相消。干涉相消。干涉相消。干涉相消。在在在在同同同同一一一一幅幅幅幅图图图图中中中中画画画画出出出出叠叠叠叠加加加加场场场场在在在在各各各各
18、个个个个时时时时刻刻刻刻的的的的波波波波形形形形,则则则则可可可可以以以以发发发发现现现现具具具具有有有有波峰、波谷交替出现的特殊形式,即图波峰、波谷交替出现的特殊形式,即图波峰、波谷交替出现的特殊形式,即图波峰、波谷交替出现的特殊形式,即图3.163.163.163.16中所示的驻波图形。中所示的驻波图形。中所示的驻波图形。中所示的驻波图形。某某某某些些些些特特特特定定定定的的的的点点点点上上上上,场场场场总总总总是是是是为为为为零零零零。而而而而在在在在其其其其他他他他点点点点上上上上,场场场场量量量量在在在在图图图图中中中中的的的的包络线内振荡,包络本身是固定的。包络线内振荡,包络本身是
19、固定的。包络线内振荡,包络本身是固定的。包络线内振荡,包络本身是固定的。为为为为了了了了产产产产生生生生稳稳稳稳定定定定的的的的驻驻驻驻波波波波场场场场,谐谐谐谐振振振振腔腔腔腔的的的的长长长长度度度度必必必必须须须须是是是是半半半半波波波波长长长长的的的的整整整整数数数数倍倍倍倍,即即即即图图图图3.16 3.16 3.16 3.16 谐振腔内的驻波图形谐振腔内的驻波图形谐振腔内的驻波图形谐振腔内的驻波图形图图图图3.153.153.153.15画画画画出出出出的的的的是是是是一一一一个个个个腔腔腔腔长长长长为为为为波波波波长长长长两倍的谐振腔内的波形图。两倍的谐振腔内的波形图。两倍的谐振腔
20、内的波形图。两倍的谐振腔内的波形图。只只只只有有有有波波波波长长长长满满满满足足足足式式式式(3.223.223.223.22)的的的的电电电电磁磁磁磁波波波波才才才才能能能能在在在在谐谐谐谐振振振振腔腔腔腔内内内内存存存存在在在在稳稳稳稳定定定定状状状状态态态态。任任任任何何何何其其其其他他他他波波波波长长长长的的的的光光光光波波波波入入入入射射射射到到到到谐谐谐谐振振振振腔腔腔腔内内内内时时时时,会会会会被被被被反反反反射射射射镜镜镜镜来来来来回回回回反射,产生相消干涉,这样的波衰减得非常快。反射,产生相消干涉,这样的波衰减得非常快。反射,产生相消干涉,这样的波衰减得非常快。反射,产生相消
21、干涉,这样的波衰减得非常快。谐振腔在满足谐振腔在满足谐振腔在满足谐振腔在满足3.223.223.223.22的波长上振荡,也就是的波长上振荡,也就是的波长上振荡,也就是的波长上振荡,也就是图图图图3.16 3.16 3.16 3.16 谐振腔谐振腔谐振腔谐振腔内的驻波图形内的驻波图形内的驻波图形内的驻波图形式式式式(3.233.233.233.23)也也也也可可可可以以以以这这这这样样样样推推推推导导导导:电电电电磁磁磁磁波波波波在在在在腔腔腔腔体体体体内内内内传传传传播播播播一一一一个个个个来来来来回回回回时时时时,其其其其相相相相移移移移应应应应为为为为2 2 2 2的的的的整整整整数数数
22、数倍倍倍倍,才才才才能能能能实实实实现现现现其其其其分分分分布布布布的的的的自自自自身身身身重重重重复复复复,因因因因此此此此有有有有根根根根据据据据式式式式(3.233.233.233.23),谐谐谐谐振振振振腔腔腔腔仅仅仅仅在在在在一一一一些些些些波波波波长长长长或或或或频频频频率率率率上上上上振振振振荡荡荡荡,结结结结合合合合(3.233.233.233.23)及()及()及()及(1.31.31.31.3)等关系式,可以求得谐振频率)等关系式,可以求得谐振频率)等关系式,可以求得谐振频率)等关系式,可以求得谐振频率图图图图3.17 3.17 3.17 3.17 谐振腔的谐振频率谐振腔的
23、谐振频率谐振腔的谐振频率谐振腔的谐振频率图图图图3.173.173.173.17标标标标出出出出的的的的各各各各个个个个频频频频率率率率是是是是谐谐谐谐振振振振腔腔腔腔的的的的纵纵纵纵模模模模谐谐谐谐振振振振频频频频率率率率。相相相相邻邻邻邻纵模间的频率间隔是纵模间的频率间隔是纵模间的频率间隔是纵模间的频率间隔是图图图图3.17 3.17 3.17 3.17 谐振腔的谐振频率谐振腔的谐振频率谐振腔的谐振频率谐振腔的谐振频率设与上式对应的自由空间的波长间隔为设与上式对应的自由空间的波长间隔为设与上式对应的自由空间的波长间隔为设与上式对应的自由空间的波长间隔为c c c c,经推导有,经推导有,经
24、推导有,经推导有 0 0 0 0是是是是自自自自由由由由空空空空间间间间的的的的平平平平均均均均波波波波长长长长,f f f f是平均频率。是平均频率。是平均频率。是平均频率。例例例例3.73.7:c c=0.311nm=0.311nm半半半半导导导导体体体体激激激激光光光光器器器器的的的的谱谱谱谱宽宽宽宽都都都都在在在在1nm5nm1nm5nm之之之之间间间间。假假假假设设设设例例例例3.73.7中中中中的的的的光光光光源源源源谱谱谱谱宽宽宽宽=2nm=2nm,意意意意味味味味着着着着AlGaAsAlGaAs介介介介质质质质对对对对于于于于在在在在819nm821nm819nm821nm之之
25、之之间振荡的激光器具有足够的放大能力,如图间振荡的激光器具有足够的放大能力,如图间振荡的激光器具有足够的放大能力,如图间振荡的激光器具有足够的放大能力,如图3.183.18所示。所示。所示。所示。谐谐谐谐振振振振腔腔腔腔只只只只允允允允许许许许频频频频率率率率在在在在此此此此谐谐谐谐振振振振范范范范围围围围内内内内的的的的光光光光波波波波存存存存在在在在。由由由由于于于于谐谐谐谐振振振振波波波波长长长长 之之之之 间间间间 的的的的 间间间间 隔隔隔隔 是是是是0.311nm0.311nm,所所所所 以以以以 在在在在 输输输输 出出出出 端端端端 会会会会 有有有有/c c=2/0.3116
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