光電子課件和光學(xué)功能材料-第十講

2023/2/71光電子學(xué)

2§4-1光輻射的電磁理論§4-2光輻射在大氣中的傳播§4-3光輻射在水中的傳播§4-4光輻射在電光晶體中的傳播§4-5光波在聲光晶體中的傳播§4-6光波在磁光介質(zhì)中的傳播§4-7光波在光纖中的傳播本章介紹1晶體的旋光現(xiàn)象2磁光效應(yīng)——法拉第效應(yīng)3磁光效應(yīng)的應(yīng)用一、旋光現(xiàn)象1.自然旋光2.磁致旋光2/7/2023一、旋光現(xiàn)象1.自然旋光：當(dāng)線偏振光沿光軸方向通過(guò)某些天然介質(zhì)時(shí)，它的偏振面會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)。α

—旋光率旋轉(zhuǎn)的角度：φ旋光物質(zhì)L冰洲石晶體無(wú)旋光現(xiàn)象石英旋光現(xiàn)象圖

旋光現(xiàn)象

對(duì)于具有旋光特性的溶液，光振動(dòng)方向旋轉(zhuǎn)的角度還與溶液的濃度成正比，式中,α稱(chēng)為溶液的比旋光率；c為溶液濃度。

在實(shí)際應(yīng)用中,可以根據(jù)光振動(dòng)方向轉(zhuǎn)過(guò)的角度,確定該溶液的濃度。θ=αcl

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同旋光介質(zhì)光振動(dòng)矢量的旋轉(zhuǎn)方向可能不同，并因此將旋光介質(zhì)分為左旋和右旋。當(dāng)對(duì)著光線觀察時(shí)，使光振動(dòng)矢量順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的介質(zhì)叫右旋光介質(zhì)，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的介質(zhì)叫左旋光介質(zhì)。2/7/20232.磁致旋光:磁場(chǎng)作用下表現(xiàn)出的旋光特性φL磁致旋光物質(zhì)B旋轉(zhuǎn)的角度：

V——費(fèi)德?tīng)柍Ａ浚瑔挝唬夯《?米特斯拉，L-——光在介質(zhì)中傳播長(zhǎng)度；B——平行于傳播方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度分量；2/7/2023(1)對(duì)自然旋光物質(zhì)，振動(dòng)面的左旋或右旋是由旋光物質(zhì)本身決定的。反射鏡入射光φ右旋2/7/2023反射鏡入射光φ右旋B(2)對(duì)磁致旋光物質(zhì)，光沿與逆方向傳播，振動(dòng)面旋向與磁場(chǎng)的方向有關(guān)。φ反射鏡反射光φ左旋Bφ

磁致旋光效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)方向僅與磁場(chǎng)方向有關(guān)，而與光線傳播方向的正逆無(wú)關(guān)，這是磁致旋光現(xiàn)象與晶體的自然旋光現(xiàn)象不同之處。但通過(guò)磁光介質(zhì)時(shí)，只要磁場(chǎng)方向不變，旋轉(zhuǎn)角都朝一個(gè)方向增加，此現(xiàn)象表明磁致旋光效應(yīng)是一個(gè)不可逆的光學(xué)過(guò)程，因而可利用來(lái)制成光學(xué)隔離器或單通光閘等器件。如何解釋磁致旋光現(xiàn)象？2/7/2023

當(dāng)光波通過(guò)磁化的物體(磁性物質(zhì)）時(shí)，光的傳播特性將發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱(chēng)為磁光效應(yīng)。磁光效應(yīng)包括法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)、克爾效應(yīng)、磁雙折射效應(yīng)等。其中最主要的是法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，它使一束線偏振光在外加磁場(chǎng)作用下的介質(zhì)中傳播時(shí)，其偏振方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)角度的大小與沿光束方向的磁場(chǎng)強(qiáng)度和光在介質(zhì)中傳播的長(zhǎng)度之積成正比，即

韋爾德常數(shù)表示在單位磁場(chǎng)強(qiáng)度下線偏振光通過(guò)單位長(zhǎng)度的磁光介質(zhì)后偏振方向旋轉(zhuǎn)的角度。二、磁光效應(yīng)1846年，法拉第發(fā)現(xiàn)，在磁場(chǎng)的作用下，本來(lái)不具有旋光性的介質(zhì)也產(chǎn)生了旋光性，能夠使線偏振光的振動(dòng)面發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這就是法拉第效應(yīng)。觀察法拉第效應(yīng)的裝置結(jié)構(gòu)如圖所示：將一根玻璃棒的兩端拋光，放進(jìn)螺線管的磁場(chǎng)中，再加上起偏器P1和檢偏器P2,讓光束通過(guò)起偏器后順著磁場(chǎng)方向通過(guò)玻璃棒，光矢量的方向就會(huì)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的角度可以用檢偏器測(cè)量。圖法拉第效應(yīng)2/7/2023EELER·o(a)(b)ERELELRφ非旋光物質(zhì)旋光物質(zhì)菲涅耳的解釋

線偏振光可看作是同頻率、等振幅、有確定相位差的左(L)、右(R)旋圓偏振光的合成。圓偏振光在垂直光傳播方向的平面上，只有單一的振動(dòng)矢量，振動(dòng)矢量的大小不變，振動(dòng)方向勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，振動(dòng)矢量(電矢量)的端點(diǎn)描繪成一個(gè)圓形軌跡。圓偏振光可看成是橢圓偏振光的特例，圓偏振光能夠分解成兩束互相垂直的線偏振光。左旋圓偏振光與右旋圓偏振光2/7/2023在出射面上:由圖示，有：令——

旋光率則(b)ERELELRφ2/7/2023（1）光沿磁場(chǎng)方向通過(guò)時(shí)，振動(dòng)面右旋。光逆磁場(chǎng)方向傳播時(shí)，振動(dòng)面左旋。反射鏡入射光φ右旋Bφ反射鏡反射光φ左旋Bφ法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的特點(diǎn)（3）法拉第旋轉(zhuǎn)的用途若：線偏振光返回后無(wú)法通過(guò)第一個(gè)偏振片，成為光隔離器。則:（2）光束一正一反兩次通過(guò)磁光介質(zhì)時(shí)，振動(dòng)面轉(zhuǎn)過(guò)角度。三、磁光效應(yīng)的應(yīng)用P128-130以磁光材料為研究背景的磁光器件是一種非互易性旋光器件，在光信息處理、光纖通信、共用天線光纜電視系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，以及工業(yè)、國(guó)防、宇航和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。磁光器件是指利用材料的磁光效應(yīng)制作的各類(lèi)光信息功能器件。

目前已研制出來(lái)的磁光器件有：磁光偏轉(zhuǎn)器、磁光開(kāi)關(guān)和調(diào)制器、隔離器、環(huán)行器、顯示器、旋光器、磁強(qiáng)計(jì)、磁光盤(pán)存儲(chǔ)器(可擦除光盤(pán))以及各類(lèi)磁光傳感器等。磁光調(diào)制器利用偏振光通過(guò)磁光介質(zhì)發(fā)生偏振面旋轉(zhuǎn)來(lái)調(diào)制光束。磁光調(diào)制器有廣泛的應(yīng)用,可作為高靈敏度偏振計(jì)。1.磁光調(diào)制器原理如圖：在沒(méi)有調(diào)制信號(hào)時(shí),磁光材料中無(wú)外場(chǎng),輸出的光強(qiáng)隨起偏器與檢偏器光軸之間的夾角變化。在磁光材料外的磁化線圈加上調(diào)制的交流信號(hào)時(shí),由此產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)使光的振動(dòng)面發(fā)生交變旋轉(zhuǎn)。由于法拉第效應(yīng),信號(hào)電流使光振動(dòng)面的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化成光的強(qiáng)度調(diào)制,出射光以強(qiáng)度變化的形式攜帶調(diào)制信息。在光纖通信、光信息處理和各種測(cè)量系統(tǒng)中,都需要有一個(gè)穩(wěn)定的光源,由于系統(tǒng)中不同器件的連接處往往會(huì)反射一部分光,一旦這些反射光進(jìn)入激光源的腔體,會(huì)使激光輸出不穩(wěn)定,從而影響了整個(gè)系統(tǒng)的正常工作。磁光隔離器就是專(zhuān)為解決這一問(wèn)題而發(fā)展起來(lái)的一種磁光非互易器件。普通的磁光隔離器結(jié)構(gòu)如圖。其核心部分由兩偏振片和法拉第旋光器組合,利用法拉第旋光器的非互易性,使正向傳輸?shù)墓鉄o(wú)阻擋地通過(guò),全部排除從器件接點(diǎn)處反射回來(lái)的光,從而有效消除激光源的噪聲。2.磁光隔離器光隔離器的原理圖26§4-1光輻射的電磁理論§4-2光輻射在大氣中的傳播§4-3光輻射在水中的傳播§4-4光輻射在電光晶體中的傳播§4-5光波在聲光晶體中的傳播§4-6光波在磁光介質(zhì)中的傳播§4-7光波在光纖中的傳播本章介紹2/7/202327一、光纖的結(jié)構(gòu)二、光纖的分類(lèi)三、光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)四、光在光纖中的傳輸特性五、光在光纖中的衰減和色散特性主要內(nèi)容2/7/202328由于石英光纖本身是一種玻璃介質(zhì)，它的折射率為1.458，所以光波在石英光纖中的傳播速度（v=c/n應(yīng)為2.00×108m/s），要比在空氣中傳播的慢一些

。

光的折射與反射光波是電磁波，所以光在均勻介質(zhì)空間是沿著直線傳播的。但是當(dāng)光遇到兩種不同介質(zhì)的交界面時(shí)會(huì)發(fā)生折射和反射。如圖所示。補(bǔ)充：光的全反射2/7/202329光的反射和折射2/7/202330光的全反射現(xiàn)象（光密介質(zhì)光疏介質(zhì)）2/7/202331光線在階躍光纖中的全反射圖

階躍型光纖的纖折射率分布是均勻的，它是靠全反射原理將光射線集中在纖芯中沿光纖長(zhǎng)度方向傳輸。光射線在纖芯中的運(yùn)行軌跡是一條和軸線相交的鋸齒線。θc2/7/202332

θc的大小由光纖的包層和纖芯材料的折射率之比來(lái)決定。為了使光能在光纖中遠(yuǎn)距離傳輸，一定要造成光在光纖中反復(fù)發(fā)生全反射的條件。實(shí)現(xiàn)全反射的條件是：⑴.光纖纖芯的折射率ｎ1一定要大于光纖包層的折射率ｎ2。⑵.進(jìn)入光纖的光線向纖芯—包層界面入射時(shí)，入射角應(yīng)大于臨界角θc。33一、光纖的結(jié)構(gòu)

光纖（光導(dǎo)纖維）是一種能夠傳輸光頻電磁波的介質(zhì)波導(dǎo)，利用光全反射原理將光波約束在其界面內(nèi)，并引導(dǎo)光波沿著光纖軸線方向傳播。它由折射率較高的纖芯、折射率較低的包層和護(hù)套三部分組成。纖芯主要成分是二氧化硅SiO2。4.7光波在光纖中的傳播護(hù)套包層纖芯2a2023/2/734

光纖由纖芯和包層組成.纖芯的折射率高于包層的折射率(通過(guò)對(duì)光纖摻雜雜質(zhì)，光纖的折射率改變了).纖芯和包層僅在折射率等參數(shù)上不同，結(jié)構(gòu)上是一個(gè)完整整體涂覆層的主要作用是為光纖提供保護(hù)無(wú)論何種光纖，其包層直徑都是一致的2/7/202335二、光纖的分類(lèi)1.按光纖橫截面上折射率徑向分布的方式分類(lèi)：

階躍折射率光纖和漸變折射率光纖（圖4-29）。2.按傳輸?shù)哪Ｊ椒诸?lèi)：?jiǎn)文９饫w和多模光纖。363.按制造光纖的材料分，有：①高純度熔石英光纖

其特點(diǎn)是材料的光傳輸損耗低，有的波長(zhǎng)可低到0.2dB／km，一般均小于ldB／km；②多組分玻璃纖維

其特點(diǎn)是芯-玻折射率可在較大范圍內(nèi)變化，因而有利于制造大數(shù)值孔徑的光纖，但材料損耗大，在可見(jiàn)光波段一般為:1dB／m二、光纖的分類(lèi)2/7/202337③塑料光纖

其特點(diǎn)是成本低，缺點(diǎn)是材料損耗大，溫度性能較差；④紅外光纖其特點(diǎn)是可透過(guò)近紅外（1～5μm）或中紅外（～10μm）的光波；⑤液芯光纖特點(diǎn)是纖芯為液體，可滿足特殊需要；⑥晶體光纖纖芯為晶體，可用于制造各種有源和無(wú)源器件。2/7/202338三、光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.直徑

光纖的直徑包括纖芯直徑2a和包層直徑2b。從成本考慮，光纖的直徑應(yīng)盡量小，從機(jī)械強(qiáng)度和柔韌性考慮也應(yīng)細(xì)些，這是因?yàn)槭⒐饫w很脆，如果太粗，則很容易折斷；但從對(duì)接、耦合、損耗等方面考慮，光纖應(yīng)以粗為宜。綜合二者因素，一般光纖的纖芯直徑約5-75微米；光纖外面有包層，包層有一層、二層（內(nèi)包層、外包層）或多層（稱(chēng)為多層結(jié)構(gòu)），但是總直徑在100~200微米之間。2/7/202339

2.數(shù)值孔徑光纖的數(shù)值孔徑（NA）對(duì)光源耦合效率、光纖損耗對(duì)微彎的敏感性和帶寬有著密切的關(guān)系，數(shù)值孔徑大，容易耦合，微彎敏感小，帶寬較窄。數(shù)值孔徑物理意義

——表示光纖的集光（接受入射光）能力。即凡是入射到圓錐角以?xún)?nèi)的所有光線都可以滿足全反射條件，在芯包界面發(fā)生全反射，將光線束縛在纖芯內(nèi)沿軸向傳播.2/7/202340θc2/7/202341

波導(dǎo)的性質(zhì)由纖芯和包層的折射率分布決定，工程上定義為纖芯和包層間的相對(duì)折射率差

當(dāng)時(shí)，上式簡(jiǎn)化為此即為光纖波導(dǎo)的弱導(dǎo)條件。

弱導(dǎo)的基本含義是指很小的折射率差就能構(gòu)成良好的光纖波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，而且為制造提供了很大的方便。3.相對(duì)折射率單模多模2/7/202342

一般介質(zhì)波導(dǎo)截面上的折射率分布可以用指數(shù)型分布表示為：上式中a為纖芯的半徑，n1為光纖軸線上的折射率，n2為包層折射率，

為一常數(shù)。當(dāng)時(shí)，即為階躍光纖當(dāng)時(shí)，即為平方梯度光纖

P1344.折射率分布(徑向分布）2/7/202343階躍剖面n(r)an2n1r

纖芯階躍折射率光纖an2n1r纖芯漸變剖面n(r)梯度折射率光纖2/7/2023445.歸一化頻率P135歸一化頻率是光纖最重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)，是能表征光纖中傳播模式數(shù)量的參數(shù),其表達(dá)式為：2/7/202345

光纖是怎樣把光波傳向遠(yuǎn)方的呢？為了說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題，我們首先討論光波在均勻折射率纖芯中的傳播。當(dāng)光波射入光纖的纖芯時(shí)，一般都會(huì)出現(xiàn)兩種情況，一種是光線在過(guò)軸心的平面內(nèi)傳播，這種光線稱(chēng)為子午光線，另一種是不交軸光線，即在光纖中傳播不通過(guò)軸心的偏射光線。如果從光纖端面來(lái)觀察，其光線的進(jìn)行軌跡是一組構(gòu)成多邊形的折線。

我們將分別討論子午光線和偏射光線傳播的過(guò)程。四、光在光纖中的傳輸特性2/7/2023461.階躍光纖中光束的傳播

均勻介質(zhì)中光線軌跡是直線，光纖的傳光機(jī)理在于光的全反射（從光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)且入射角大于臨界角）。光纖可視為圓柱波導(dǎo)，在圓柱波導(dǎo)中，光線的軌跡可以在通過(guò)光纖軸線的主截面內(nèi)，如圖(a)所示，也可以不在通過(guò)光纖軸線的主截面內(nèi)，如圖(b)所示。要完整的確定一條光線，必須用兩個(gè)參量，即光線在界面的入射角

和光線與光纖軸線的夾角。2/7/202347Prn2n1QQn2n1P(a)rtPQPrn2n1Q(b)

圖

階躍折射率光纖纖芯內(nèi)的光線路徑

(a)子午光線的鋸齒路徑；(b)偏斜光線的螺旋路經(jīng)及其在纖芯橫截面上的投影。2/7/202348（1）子午光線

當(dāng)入射光線通過(guò)光纖軸線，且入射角1大于界面臨界角時(shí)，光線將在柱體界面上不斷發(fā)生全反射，形成曲折回路，而且傳導(dǎo)光線的軌跡始終在光纖的主截面內(nèi)。這種光線稱(chēng)為子午光線，包含子午光線的平面稱(chēng)為子午面。2/7/202349子午面1n1n2n00n2臨界角：1子午光線的入射光線、反射光線和分界面法線三者均在子午面內(nèi)。2/7/202350

階躍型光纖的纖折射率分布是均勻的，它是靠全反射原理將光射線集中在纖芯中沿光纖長(zhǎng)度方向傳輸。光射線在纖芯中的運(yùn)行軌跡是一條和軸線相交的鋸齒線。

光導(dǎo)纖維就是利用光的全反射來(lái)進(jìn)行傳輸光信號(hào)（子午光線是平面曲線）2/7/202351

當(dāng)產(chǎn)生全反射時(shí)，要求，因此有

設(shè)光線從折射率為n0的介質(zhì)通過(guò)波導(dǎo)端面中心點(diǎn)入射，進(jìn)入波導(dǎo)后按子午光線傳播。根據(jù)折射定律：2/7/202352（2）斜射光線

當(dāng)入射光線不通過(guò)光纖軸線時(shí)，傳導(dǎo)光線將不在一個(gè)平面內(nèi)，這種光線稱(chēng)為斜射光線。

如果將其投影到端截面上，就會(huì)更清楚地看到傳導(dǎo)光線將完全限制在兩個(gè)共軸圓柱面之間，其中之一是纖芯-包層邊界，另一個(gè)在纖芯中，兩個(gè)共軸圓柱面稱(chēng)為散焦面。2/7/202353階躍光纖中的斜射光纖0為端面入射角,1為折射角,θ1是折射光線在界面的入射角,α為折射光線與端面的夾角,γ

為入射面與子午面的夾角。11112/7/202354O(a)0O(b)圖

階躍光纖中的斜射光線

顯然，隨著入射角1的增大，內(nèi)散焦面向外擴(kuò)大并趨近為邊界面。在極限情況下，光纖端面的光線入射面與圓柱面相切（1=90），在光纖內(nèi)傳導(dǎo)的光線演變?yōu)橐粭l與圓柱表面相切的螺線，兩個(gè)散焦面重合。2/7/2023552.漸變光纖中光束的傳播只討論平方律梯度光纖中光波的傳播特性。平方律折射率分布光纖的n(r)可表示為2/7/202356（1）平方律梯度光纖中的光線軌跡

由光纖理論可以證明子午光線軌跡按正弦規(guī)律變化式中r0、由光纖參量決定。

可見(jiàn)平方律梯度光纖具有自聚焦性質(zhì)，又稱(chēng)自聚焦光纖，如圖所示P137。等效焦距：2/7/202357PQrn(r)nrt2rt1rt2(b)漸變折射率分布光纖纖芯內(nèi)光線的路徑及其在纖芯橫截面上的投影：(a)子午光線路徑；(b)斜射光線路徑；PQrn(r)znrtPQrt(a)2/7/202358

五、光束在光纖波導(dǎo)中的衰減和色散特性1.光纖的衰減

若Pi、Po分別為光纖的輸入、輸出光功率，L是光纖長(zhǎng)度。衰減系數(shù)定義為單位長(zhǎng)度光纖光功率衰減的分貝數(shù)，即光信號(hào)經(jīng)過(guò)一定距離的光纖傳輸后要產(chǎn)生衰減和畸變:

☆幅度減小;☆波形展寬;產(chǎn)生信號(hào)衰減和畸變的主要原因是光纖中存在損耗和色散,限制了系統(tǒng)的傳輸距離和傳輸容量.2/7/202359

光纖的衰減特性

光信號(hào)在光纖內(nèi)傳播，隨著距離的增大，能量會(huì)越來(lái)越弱，其中一部分能量在光纖內(nèi)部被吸收，一部分可能突破光纖纖芯的束縛，輻射到了光纖外部，這叫做光纖的傳輸損耗（或傳輸衰減）。z=0z=L衰減2/7/202360

損耗系數(shù)是光纖的一個(gè)很重要的傳輸參量，是光纖傳輸系統(tǒng)中限制光信號(hào)中繼傳輸距離的重要因素之一。光纖損耗的大小與波長(zhǎng)有密切的關(guān)系。損耗與波長(zhǎng)的關(guān)系曲線叫做光纖的損耗譜（或衰減譜），在譜線上損耗值比較高的地方，叫做光纖的吸收峰，較低的損耗所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，叫做光纖的工作波長(zhǎng)（或工作窗口）。P315OH－吸收峰~2dB石英光纖的衰減譜如圖所示，根據(jù)衰減譜圖可知，光纖通信上常用的工作窗口主要有三個(gè)波長(zhǎng)，即：λ1=0.850μm（850nm）、λ2=1.310μm（1310nm），λ3=1.550μm（1550nm）。2/7/202362吸收衰減散射衰減輻射損耗---光纖彎曲衰減和接頭衰減材料固有吸收雜質(zhì)吸收瑞利散射光纖結(jié)構(gòu)不完善散射紫外吸收紅外吸收氫氧根吸收過(guò)渡金屬離子吸收光纖衰減光纖損耗特性產(chǎn)生的原因主要有:吸收損耗、散射損耗和輻射損耗。2/7/202363（1）吸收損耗

材料吸收損耗是一種固有損耗，不可避免。我們只能選擇固有損耗較小的材料來(lái)做光纖。石英在紅外波段內(nèi)吸收較小，是優(yōu)良的光纖材料。

有害的雜質(zhì)吸收主要是由于光纖材料中含有Fe，Co，Ni，Mn，Cu，V，Pt，OH等離子。

吸收損耗原子缺陷吸收：由于光纖材料的原子結(jié)構(gòu)的不完整造成非本征吸收：由過(guò)渡金屬離子和氫氧根離子(OH－)等雜 質(zhì)對(duì)光的吸收而產(chǎn)生的損耗本征吸收：由制造光纖材料本身

(如SiO2)的特性所決 定，即便波導(dǎo)結(jié)構(gòu)非常完美而且材料不含 任何雜質(zhì)也會(huì)存在本征吸收 解決方法：(1)光纖材料化學(xué)提純;(2)制造工藝上改進(jìn)，如避免使用氫氧焰加熱.2/7/202365（2）散射損耗

由于光纖制作工藝上的不完善，例如有微氣泡或折射率不均勻以及有內(nèi)應(yīng)力，光能在這些地方會(huì)發(fā)生散射，使光纖損耗增大。