導(dǎo)波光學(xué)-第1講課件

導(dǎo)波光學(xué)OpticsofWaveguides導(dǎo)波光學(xué)1光通訊是20世紀(jì)70年代以后發(fā)展起來的新的通信技術(shù)，光通信被認(rèn)為是通信發(fā)展史上的一次革命性的進(jìn)步，它對人類由工業(yè)化社會向信息化社會進(jìn)步有著不可估量的推動作用，而導(dǎo)波光學(xué)理論是光通信技術(shù)的基礎(chǔ)，同時也是集成光學(xué)，光纖傳感等學(xué)科的基礎(chǔ)?！?/p>

課程的性質(zhì)■

課程的內(nèi)容基本理論（第1章）各類波導(dǎo)（2—5章，7章）波導(dǎo)的耦合（第6章）光通訊是20世紀(jì)70年代以后發(fā)展起來的新的通信技術(shù)，光通信被2主要參考書目[1].佘守憲.《導(dǎo)波光學(xué)物理基礎(chǔ)》，北京，北方交通大學(xué)出版社[2].吳重慶.《光波導(dǎo)理論》（第二版），北京，清華大學(xué)出版社[3].葉培大吳彝尊.《光波導(dǎo)技術(shù)基本理論》，北京，人民郵電出版社[4].孫雨南朱昌.《光纖技術(shù)基礎(chǔ)》，北京，兵器工業(yè)出版社[5].方俊鑫曹莊琪楊傅子.《光波導(dǎo)技術(shù)物理基礎(chǔ)》，上海，上海交通大學(xué)出版社[6].Agrawal著賈東方余震虹等譯.《非線性光纖光學(xué)原理及應(yīng)用》，北京，電子工業(yè)出版社

主要參考書目3緒論

■導(dǎo)波光學(xué)是以經(jīng)典電磁場理論和近代光學(xué)理論為基礎(chǔ)，研究光和光信號在各類介質(zhì)光波導(dǎo)中傳播特性的科學(xué)?！龉獠▽?dǎo)的一般概念是一種能將光波限制在其內(nèi)部或其表面附近且引導(dǎo)光沿確定方向傳播的介質(zhì)結(jié)構(gòu)?！龉獠▽?dǎo)的分類按幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類

●

平面（平板）介質(zhì)波導(dǎo)緒論

是以經(jīng)典電磁場理論和近代光學(xué)理論為基礎(chǔ)，研究光和光信號4襯底n2薄膜（芯區(qū)）n1空氣n0●矩形（條形）介質(zhì)波導(dǎo)

芯區(qū)n1包層n2三層平板介質(zhì)波導(dǎo)埋入型矩形波導(dǎo)

襯底n2薄膜（芯區(qū)）n1空氣n0●矩形（條形）介質(zhì)波導(dǎo)5●圓和非圓介質(zhì)波導(dǎo)

芯區(qū)n1包層n2芯區(qū)n1包層n2圓光波導(dǎo)（二層階躍光纖）

橢圓光波導(dǎo)

●圓和非圓介質(zhì)波導(dǎo)芯區(qū)n1包層n2芯區(qū)n1包層n2圓光6按波導(dǎo)折射率在空間的分布進(jìn)行分類

●非線性光波導(dǎo)（n=n(x,y,z,E)）

●線性光波導(dǎo)（n=n(x,y,z)）

?

縱向均勻（正規(guī)）光波導(dǎo)（n=n(x,y)）

?縱向非均勻（非正規(guī)光波導(dǎo)）

（n=n(x,y,z)）

均勻光波導(dǎo)（n在橫向的某一范圍內(nèi)保持不變）

橫向非均勻光波導(dǎo)

（n=n(x,y)）

按波導(dǎo)折射率在空間的分布進(jìn)行分類●非線性光波導(dǎo)（n7■光波導(dǎo)的一般問題

——光在光波導(dǎo)中的傳輸特性

●光本身在光波導(dǎo)中的傳播特性

（1）光場的分布形式；（2）傳播常數(shù)或相移常數(shù)；（3）偏振特性；（4）模式耦合特性。

●光信號的傳播特性（1）群時延和群速度；（2）色散特性；（3）偏振模色散等等。

■光波導(dǎo)的一般問題●光本身在光波導(dǎo)中的傳播特性8■導(dǎo)波光學(xué)的分析方法

●射線光學(xué)方法

當(dāng)光波的波長遠(yuǎn)小于波導(dǎo)的橫向尺寸時，可以近似地認(rèn)為光能是沿著一定的曲線傳播，這條曲線稱為“光線”（亦稱射線）。用射線理論分析光在波導(dǎo)中的傳播的分析方法稱為射線光學(xué)的方法。本書中對“光線”的理解，賦予了新的含義，即把“光線”理解為波矢的場線，光線的切線方向即波矢的方向，這隱含著將相位與相干等波動的概念引入了射線光學(xué)，這樣可以更好地解釋波導(dǎo)中光的傳播特性，所以射線光學(xué)的方法并不是傳統(tǒng)意義上的幾何光學(xué)的分析方法。優(yōu)點：簡便，直觀；缺點：不精確也不全面?！鰧?dǎo)波光學(xué)的分析方法●射線光學(xué)方法9●電磁場理論的方法光是一種電磁波，從電磁理論的基本方程——麥克斯韋方程組出發(fā)，寫出所研究具體問題電磁場的基本方程和邊界條件，再進(jìn)行求解，從而求出光場分布和傳播常數(shù)等反映傳播特性的物理量。優(yōu)點：精確和全面；缺點：比較復(fù)雜?！鰧W(xué)習(xí)導(dǎo)波光學(xué)應(yīng)注意的問題

●思路●概念和方法●結(jié)論●電磁場理論的方法■學(xué)習(xí)導(dǎo)波光學(xué)應(yīng)注意的問題●思路10第1章導(dǎo)波光學(xué)的理論基礎(chǔ)

光是波長極短的電磁波，它的傳播遵守電磁場的基本規(guī)律，即麥克斯韋方程組。因此，從麥克斯韋方程組出發(fā)推導(dǎo)出光波傳播的一系列基本方程是導(dǎo)波光學(xué)的理論基礎(chǔ)?！鲭姶艌龅姆椒ǚ治龉獠▽?dǎo)的理論基礎(chǔ)■射線光學(xué)的方法分析光波導(dǎo)的理論基礎(chǔ)第1章導(dǎo)波光學(xué)的理論基礎(chǔ)光是波長極短的電磁波，它的傳111.1電磁場的基本方程

■麥?zhǔn)戏匠探M、物質(zhì)方程、邊值關(guān)系

■亥姆霍茲方程

■電磁場和模式場的橫向分量與縱向分量的關(guān)系

■正規(guī)光波導(dǎo)中模式場的亥姆霍茲方程及模式的概念

1.1電磁場的基本方程■麥?zhǔn)戏匠探M、物質(zhì)方程、邊值關(guān)12●麥?zhǔn)戏匠探M●物質(zhì)方程●邊值關(guān)系■麥?zhǔn)戏匠探M、物質(zhì)方程、邊值關(guān)系

●麥?zhǔn)戏匠探M●物質(zhì)方程●邊值關(guān)系■麥?zhǔn)戏匠探M、13■亥姆霍茲方程

對單色光的情況，電磁場可以寫為一般情況下，在光波導(dǎo)中既不存在著自由電荷也不存在著自由電流，且波導(dǎo)介質(zhì)是無磁性的，即＝0，J=0且=0，這時麥克斯韋方程組為■亥姆霍茲方程對單色光的情況，電磁場可以寫為一般情況14電磁場E，H隨空間位置變化關(guān)系的方程——亥姆霍茲方程電磁場E，H隨空間位置變化關(guān)系的方程15■正規(guī)光波導(dǎo)中模式場的亥姆霍茲方程及模式的概念

正規(guī)光波導(dǎo)的折射率沿縱向（z向）不變，光波沿z向傳播，故正規(guī)光波導(dǎo)中隨時間和空間變化的導(dǎo)波的場可以寫成模式場傳播常數(shù)沿z方向傳播的電磁場■正規(guī)光波導(dǎo)中模式場的亥姆霍茲方程及模式的概念正規(guī)光波16●傳播常數(shù)是波導(dǎo)中電磁波波矢z分量的大小，它決定了波的相速度。把上面的式子代入亥姆霍茲方程得到模式場的亥姆霍茲方程為●傳播常數(shù)是波導(dǎo)中電磁波波矢z分量的大小，它決定了波的相速17●由偏微分方程的理論，模式場的亥姆霍茲方程在給定邊界條件下是一個個離散的特征解。每一個特征解與一個特征值相對應(yīng)，通解是這些特征解的線性疊加，當(dāng)給定初始條件時，就可以確定特征解前面的系數(shù)。在光波導(dǎo)中，我們把一個特征解就叫這個光波導(dǎo)的一個模式。所以從數(shù)學(xué)上講模式是滿足模式場的亥姆霍茲方程及邊界條件的一個特解；從物理上講，模式是正規(guī)光波導(dǎo)中的光波一種可能的存在形式，模式場是正規(guī)光波導(dǎo)的光場在橫截面上的一種可能的場分布。

●由偏微分方程的理論，模式場的亥姆霍茲方程在給定邊界條件18■電磁場和模式場的橫向分量與縱向分量的關(guān)系

若把電磁場分解為橫向分量與縱向分量，即則電磁場的橫向分量與縱向分量的關(guān)系■電磁場和模式場的橫向分量與縱向分量的關(guān)系若把電磁場分解19把模式場分解為橫向分量與縱向分量，即可以得到（詳細(xì)推導(dǎo)見本章的附錄I）可見，模式場的橫向分量由縱向分量決定。因此在直接求解模式場橫向分量很