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)德爾常量，單位：弧度/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)過程，因而可利用來制成光學(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,讓光束通過起偏器后順著磁場(chǎng)方向通過玻璃棒，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：線偏振光返回后無法通過第一個(gè)偏振片，成為光隔離器。則:（2）光束一正一反兩次通過磁光介質(zhì)時(shí)，振動(dòng)面轉(zhuǎn)過角度。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)制作的各類光信息功能器件。

目前已研制出來的磁光器件有：磁光偏轉(zhuǎn)器、磁光開關(guān)和調(diào)制器、隔離器、環(huán)行器、顯示器、旋光器、磁強(qiáng)計(jì)、磁光盤存儲(chǔ)器(可擦除光盤)以及各類磁光傳感器等。磁光調(diào)制器利用偏振光通過磁光介質(zhì)發(fā)生偏振面旋轉(zhuǎn)來調(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：在沒有調(diào)制信號(hào)時(shí),磁光材料中無外場(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。磁光隔離器就是專為解決這一問題而發(fā)展起來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阻擋地通過,全部排除從器件接點(diǎn)處反射回來的光,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)無論何種光纖，其包層直徑都是一致的2/7/202335二、光纖的分類1.按光纖橫截面上折射率徑向分布的方式分類：

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椒诸悾簡(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，在可見光波段一般為:1dB／m二、光纖的分類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內(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？為了說明這個(gè)問題，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，一種是光線在過軸心的平面內(nèi)傳播，這種光線稱為子午光線，另一種是不交軸光線，即在光纖中傳播不通過軸心的偏射光線。如果從光纖端面來觀察，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光纖軸線的主截面內(nèi)，如圖(a)所示，也可以不在通過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)。這種光線稱為子午光線，包含子午光線的平面稱為子午面。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。

可見平方律梯度光纖具有自聚焦性質(zhì)，又稱自聚焦光纖，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。