第4章 光在波导中的传播

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光电子教学大纲

光电子教学大纲

《光电子技术》教学大纲课程编码:课程英文名称: Optoelectronics Technology学时数:60学时学分:3.5学分适用专业:电子科学技术专业教学大纲说明一、课程的性质、教学目的与任务课程性质:光电子技术是由电子技术和光子技术互相渗透、优势结合而产生的,是一门新兴的综合性交叉学科,已经成为现代信息科学的一个极为重要的组成部分,以光电子学为基础的光电信息技术是当前最为活跃的高新技术之一。

光电子技术课程是电子科学与技术专业学生的必修专业课程,它的开设为培养合格的专业技术人才提供了必备的理论和实践基础,本门课程不仅是本专业学生在校学习的重要环节,而且对学生毕业后的工作和进一步学习新理论、新技术都将发生深远的影响。

教学目的:该课程介绍光电子技术的理论和应用基础,内容可以分为四大主要部分:(1) 激光原理基础及典型激光器;(2) 光的耦合与调制技术;(3) 光电探测器及其应用;(4) 光电子集成器件及光电子器件在光通信中的应用。

主要介绍了光电子系统中关键器件的原理、结构、应用技术和新的发展。

该课程在阐明基本原理的同时,突出应用技术,使学生能够把握光电子技术的总体框架,有兴趣、有信心投入实践和创新活动。

教学任务:通过本课程的学习,使学生熟悉光电子技术的基础知识以及实际应用,为今后从事光电子技术方面的研究和开发工作打下一定的基础。

并通过实验教学环节使学生加深光电子技术课程的理论知识的掌握,通过一定的实验,培养学生应用所学知识解决实际问题的能力,获得相应技术、实验方法和技能锻炼。

二、课程教学的基本要求本课程以课堂讲授为主,课下自学为辅。

对自学的内容布置讨论及思考题,提高学生独立思考及解决问题的能力。

适当增加flash动画、视频材料,同时安排一些课外科技学术报告,使学生了解到本学科的最新前沿进展。

通过本课程的学习,应使学生掌握光电子技术的基本原理、基本概念,了解光电子技术的应用实例,了解光电子领域的新成果和新进展,对光电子技术有比较全面、系统的认识和理解。

电动力学复习总结第四章 电磁波的传播2012答案

电动力学复习总结第四章 电磁波的传播2012答案

第四章 电磁波的传播一、 填空题1、 色散现象是指介质的( )是频率的函数. 答案:,εμ2、 平面电磁波能流密度s 和能量密度w 的关系为( )。

答案:S wv =3、 平面电磁波在导体中传播时,其振幅为( )。

答案:0x E e α-⋅4、 电磁波只所以能够在空间传播,依靠的是( )。

答案:变化的电场和磁场相互激发5、 满足条件( )导体可看作良导体,此时其内部体电荷密度等于( ) 答案:1>>ωεσ, 0, 6、 波导管尺寸为0.7cm ×0.4cm ,频率为30×109HZ 的微波在该波导中能以( )波模传播。

答案: 10TE 波7、 线性介质中平面电磁波的电磁场的能量密度(用电场E 表示)为( ),它对时间的平均值为( )。

答案:2E ε,2021E ε 8、 平面电磁波的磁场与电场振幅关系为( )。

它们的相位( )。

答案:E vB =,相等9、 在研究导体中的电磁波传播时,引入复介电常数='ε( ),其中虚部是( )的贡献。

导体中平面电磁波的解析表达式为( )。

答案: ωσεεi +=',传导电流,)(0),(t x i x e e E t x E ωβα-⋅⋅-= ,10、 矩形波导中,能够传播的电磁波的截止频率=n m c ,,ω( ),当电磁波的频率ω满足( )时,该波不能在其中传播。

若b >a ,则最低截止频率为( ),该波的模式为( )。

答案: 22,,)()(b n a m n m c +=μεπω,ω<n m c ,,ω,μεπb ,01TE11、 全反射现象发生时,折射波沿( )方向传播.答案:平行于界面 12、 自然光从介质1(11με,)入射至介质2(22με,),当入射角等于( )时,反射波是完全偏振波.答案:201n i arctgn = 13、 迅变电磁场中导体中的体电荷密度的变化规律是( ). 答案:0teσερρ-=二、 选择题1、 电磁波波动方程22222222110,0E B E B c t c t∂∂∇-=∇-=∂∂,只有在下列那种情况下成立( )A .均匀介质 B.真空中 C.导体内 D. 等离子体中 答案: A2、 电磁波在金属中的穿透深度( )A .电磁波频率越高,穿透深度越深 B.导体导电性能越好, 穿透深度越深 C. 电磁波频率越高,穿透深度越浅 D. 穿透深度与频率无关 答案: C3、 能够在理想波导中传播的电磁波具有下列特征( ) A .有一个由波导尺寸决定的最低频率,且频率具有不连续性 B. 频率是连续的 C. 最终会衰减为零 D. 低于截至频率的波才能通过. 答案:A4、 绝缘介质中,平面电磁波电场与磁场的位相差为( )A .4π B.π C.0 D. 2π答案:C5、 下列那种波不能在矩形波导中存在( )A . 10TE B. 11TM C. mn TEM D. 01TE 答案:C6、 平面电磁波E 、B、k 三个矢量的方向关系是( )A .B E ⨯沿矢量k 方向 B. E B⨯沿矢量k 方向 C.B E ⨯的方向垂直于k D. k E ⨯的方向沿矢量B的方向答案:A7、 矩形波导管尺寸为b a ⨯ ,若b a >,则最低截止频率为( )A .μεπa B. μεπb C.b a 11+μεπ D. a2μεπ答案:A8、 亥姆霍兹方程220,(0)E k E E ∇+=∇⋅=对下列那种情况成立( ) A .真空中的一般电磁波 B. 自由空间中频率一定的电磁波C. 自由空间中频率一定的简谐电磁波D. 介质中的一般电磁波 答案:C9、 矩形波导管尺寸为b a ⨯ ,若b a >,则最低截止频率为( )A .μεπa B. μεπb C.b a 11+μεπ D. a2μεπ答案:A三、 问答题1、 真空中的波动方程,均匀介质中的定态波动方程和亥姆霍兹方程所描述的物理过程是什么?从形式到内容上试述它们之间的区别和联系。

光通信:第04章常用光无源器

光通信:第04章常用光无源器

光隔离器的应用场景
光隔离器是一种用于防止光信 号反方向传输的无源器件,主 要用于光纤放大器和激光雷达 等光通信系统。
在光纤放大器中,光隔离器可 以防止反向传输的光信号对放 大器的工作产生干扰,提高系 统的稳定性。
在激光雷达中,光隔离器可以 防止反向传输的光信号对激光 源的工作产生干扰,提高系统 的测量精度。
光通信第04章常用光无源器
contents
目录
• 光无源器件概述 • 常用光无源器件 • 光无源器件的工作原理 • 光无源器件的应用场景 • 光无源器件的挑战与解决方案
01 光无源器件概述
定义与分类
定义
光无源器件是指那些在光通信网络中 ,不需要外部电源直接驱动,只起到 传输、控制或变换光信号作用的器件 。
光衰减器的工作原理
光衰减器是一种用于降低光信号 强度的器件,它可以通过吸收或 散射等方式将光信号能量损耗掉
一部分。
光衰减器通常由光学玻璃、陶瓷 等材料制成,其结构可分为均匀
损耗和渐变损耗两种类型。
光衰减器在光通信系统中主要用 于调整光信号的功率、测试光路 的损耗以及保护光接收器件等。
光分路器的工作原理
光环形器的应用场景
光环形器是一种用于实现光信 号环形传输的无源器件,主要 用于光纤传感和激光雷达等光
通信系统。
在光纤传感中,光环形器可 以将多个传感光纤环形连接 在一起,实现多点同时测量
和数据采集。
在激光雷达中,光环形器可以 将多路激光信号环形连接在一 起,实现多目标同时测量的功
能。
05 光无源器件的挑战与解决 方案
应用
WDM系统等领域。
03 光无源器件的工作原理
光纤连接器的工作原理
光纤连接器是用于连接两根光纤的器件,通过精确对准光纤的纤芯和包层,实现光 信号的传输。

《光电子学教程》课后作业答案-部分

《光电子学教程》课后作业答案-部分
5.He-Ne激光器发出激光的中心频率为0=4.74*10 Hz,增益曲线上超过阀值的宽度=1.5*10Hz,令腔长L=1m,问可能有多少个纵模输出?为获得单模输出,问腔长最长为多少?
解:
则纵模输出的个数为:
为使获得单模输出,需
7.He-Ne激光器的腔长为1m,计算基横模的远场发散角和10km处的光斑面积。
7。在He-Ne激光器的增益曲线上1/2G(v0)处,有两个烧孔,增益曲线半宽度为1500MHz,计算与烧孔相对应的粒子速度有多大?
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第三章激光振荡与工作特性
1.要使氦-氖激光器的相干长度达到1Km,它的单色性Δλ/λ0应为多少? 解:根据P48式(3-1-2):
好好学习,天天上上
03电子科学与技术
4)α=0.5dB时: =1.122, 所以损耗百分比为:(1- )×100﹪=10.9﹪;
5)α=0.2dB时: =1.047, 所以损耗百分比为:(1- )×100﹪=4.5﹪;
4、阶跃光纤的纤芯折射率 ,包层折射率为 ,如果一条光线沿轴向传输,另一条光线沿最大入射角入射。计算传输1kM后两光线的时延差。 解:
好好学习,天天上上
03电子科学与技术
光电子学课程作业
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章节目录
第五章 光辐射的探测
第四章 光辐射在介质中波导中的传播
第三章 激光振荡与工作特性
第二章 介质中的光增益
第一器件
第七章 光电转换器件
第八章 第八章 光波调制
第一章 光与物质相互作用基础
2. 说明相干长度相干时间与光源的关系:相干面积,相干体积的物理意义。 答:根据 故:光源频率宽度 越窄,相干时间越长,相干长度也越长。 根据P49(3-1-12),相干面积的物理意义:从单位面积光源辐射出的光波,在其传播方向上发生相干现象的任一截面面积范围为辐射波长λ与该截面至光源距离R的乘积的平方。 根据P49(3-1-13),相干体积的物理意义:在单位面积光源辐射出的单位频率宽度的光波,在其传播方向上发生相干现象的任一体积范围为相对应的相干面积与光速的乘积。

光波导技术

光波导技术

ei ji z ( x , y ) e i h
一个特征解为一个模式,光纤中总的光场分布则是这些 模式的线性组合:
一系列模式可以看 a e E i i j iz ( x , y ) e 成是一个光波导的 b H 场分布的空间谱。 ih i i
(均匀光波导) 横向非均匀的光波导 (非均匀光波导) 缓变光波导 迅变光波导
突变光波导
模式的概念
不同类型的光波导相应于求解不同类型的微分方程。对 于光纤,还应注意结构的特征:纵向(光纤的轴向,即光传 输的方向)和横向的差别,这是光纤的基本特征。这个基本 特征决定了光纤中纵向和横向场解的不同。对于正规光波导 ,它表现出明显的导光性质,而由正规光波导引出的模式的 概念,则是光波导理论中最基本的概念。
正交性:一个正规光波导的不同模式之间满足正交关系。
光波导技术的广阔应用领域
光波导技术
信息获取
信息传输
信息处理
其它应用
位移、振动 温度、压力 应变、应力 电流、电压 电场、磁场 流量、浓度 可 以 测 量 70 多 个物理化学量
有源无源器件 光纤通信干线 光交换接入网 AON DWDM OADM OTDM FTTC,B,O,H
k 0
2 2
其中 代表 E 和H 在直角坐标系中的各个分量。
在推导的过程中,可以看到:影响光波导传输特 性的,主要是折射率的空间分布。
光波导的进一步分类
可根据折射率的空间分布,将光波导分类为:
正规光波导 (纵向均匀) 光波导 非正规光波导 (纵向非均匀)
横向分层均匀的光波导
n ( x ) cos ( x ) n ( 0 ) cos ( 0 ) 1 z 1 z

第四章光波导原理

第四章光波导原理
光纤一般分为三层:中心高折射率玻璃芯(芯径一般为50或 62.5μm),中间为低折射率硅玻璃包层(直径一般为125μm), 最外是加强用的树脂涂层.
3/28
《光电子技术》● 第四章 光波导原理
2015-11-10【17】
光纤的基本知识—光纤的优缺点
传输介质 对绞线
带宽 6 MHz
衰减系数 中继距 抗电磁干 尺寸与 dB/km 离km 扰性能 重量
第四章 光波导原理
4.1 平板型介质光波导


4.2 通道型介质光波导

原 理
4.3 光纤
4.4 新型光波导
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《光电子技术》● 第四章 光波导原理
2015-11-10【17】
光纤(圆柱光波导)
光纤的基本知识 光纤的结构参数 光纤的射线光学分析 光纤的物理光学分析 光纤的传输特性
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光纤界面光传输情况
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《光电子技术》● 第四章 光波导原理
2015-11-10【17】
光纤的结构参数—相对折射率、归一化频率
相对折射率Δ定义为纤芯折射率同包层折射率的差与纤芯折射率之比:
n1 n2 n1
一般n1只略大于n2:单模光纤Δ=0.3% ,多模光纤Δ=1% ,于是
N . A. n12 n22 n1 n1 n2 n1 2
《光电子技术》● 第四章 光波导原理
2015-11-10【17】
光纤的基本知识
光纤是光导纤维的简写,是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维 中的全内反射原理而达成的光传导工具.
前香港中文大学校长高锟和George A. Hockham首先提出光纤可 以用于通讯传输的设想,高锟因此获得2009年诺贝尔物理学奖.

第四章 电磁波的传播 §1. 平面电磁波§2. 电磁波在介质界面上的反射和折射§3. 有导体存在时电磁波的

第四章   电磁波的传播 §1.  平面电磁波§2.  电磁波在介质界面上的反射和折射§3.  有导体存在时电磁波的

知 H
E
较大,非铁磁
B
可取 = 0
(2) E k 在与 k 垂直平面上可将 E 分解成两个分量
(3) H k, 且 H E
(4)
nn ((EH22EH1)1
0 )0
即 Et E't E"t Ht H 't H"t
(5) ' ,
sin 2 sin " 1
(1 2 0 )
电磁波:迅变电磁场, 导体内 = ?
电流:J
E
电荷:
E
/
,
J
E
J
0
t
t
J
,
d dt,
t
0e
t = 0 时,导体内 = 0 , 然后 随 t 按指数衰减 t = 时,( = / 特征时间) = 0 / e
导体内的自由电荷分布
t = 0 时,导体内 = 0 , 然后 随 t 按指数衰减
o
y
x
平面电磁波的特性: (证明 see next page)
(1) 电磁波是横波, E k , B k
(2) E B , E B 沿 k 方向
(3) E 和 B同相,振幅比 E / B = v
平面电磁波
证明平面电磁波的特性
E 0
E
E0
ei
(
k
xt
)
E0
ei
( k xt
)i(k
E"
2 1 cos
2sin "cos
E 1 cos 2 cos" sin( ")
振幅关系 Fresnel 公式
(2) E || 入射面: (Ht H )

简明光波导模式理论

简明光波导模式理论

简明光波导模式理论光波导模式理论是光学领域中的重要理论之一,它主要研究光在波导结构中的传播模式和特性。

在本文中,我们将简要介绍光波导模式理论的基本概念、原理、种类和特点,以及在光电子学、光通信等领域的应用,并分析其优缺点及改进方向。

1、光波导模式理论的基本概念和原理光波导模式理论主要研究光在波导结构中的传播模式和特性。

波导结构是指能够约束和引导光波传播的介质层或光纤。

根据麦克斯韦方程组和波动光学理论,光波导模式理论可描述为在波导结构中传播的光波的电磁场分布和传播常数之间的关系。

在光波导中,光波的电磁场分布在横向和纵向两个方向上,因此光波导模式理论包括横向模态和纵向模态。

横向模态是指光波在波导结构横截面上的场分布,它包括多种模式,如基模、高阶模、辐射模等。

纵向模态是指光波在波导结构长度方向上的场分布,它描述了光波的传播行为,包括相速度、群速度、衰减等参数。

2、光波导模式的种类和特点根据光波在波导结构中的传播特性和横向模态,光波导模式可分为多种类型。

其中,常见的类型包括:(1)基模(Fundamental Mode):基模是波导结构中最基本的横向模态,它的场分布具有对称性,并且在横向方向上具有最小的光强分布。

基模的传播常数较小,具有最小的衰减系数。

(2)高阶模(Higher-order Mode):高阶模是波导结构中除基模以外的其他模态,它的场分布具有非对称性,并且在横向方向上具有较大的光强分布。

高阶模的传播常数较大,具有较大的衰减系数。

(3)辐射模(Radiation Mode):辐射模是波导结构中不限制光波传播的模态,它的场分布不受波导结构的限制,并且可以向外部辐射能量。

辐射模的传播常数最小,衰减系数也最小。

3、光波导模式在光电子学、光通信等领域的应用光波导模式理论在光电子学、光通信等领域具有广泛的应用价值。

例如,在光电子器件方面,光波导模式理论可用于分析器件的性能和使用条件。

在光纤通信方面,光波导模式理论可用于研究光的传输和信号处理。

华中科技大学物理光学第四章-多光束干涉与光学薄膜

华中科技大学物理光学第四章-多光束干涉与光学薄膜

• 多层高反膜
– 膜厚均为λ0/4,折射率高低交替,接近基片和空气 的膜层为高折射率,结构:G(HL)pHA – 十几层的高反膜可使λ0的反射率达到99.6%
4-3
• 冷光膜
– 结构:G(HL)14H1L2(HL)34H3A,下标表示控 制波长,上标表示层数。若λ1=650nm, λ =650nm λ2=565nm,λ3=480nm,则该结构高效反射 可见光、高效透射红外光 – 用途:用反射光给电影放映机提供冷光源
I 增益曲线 振荡阈值
ν
4-2
• 纵模频率
– 2nL=mλ⇒ ν=mc/(2nL)
• 纵模间隔
– ∆ν=c/(2nL)
• 单模线宽
– 对δ=2π/λ×2nL两边求微分,∆δ ⇒ ∆ν
– ∆ν=c(1-R)/(2πnLR1/2)
4-3 多光束干涉原理在薄膜理 论中的应用
• 薄膜:在玻璃或金属等基片的光滑表面 上,用物理、化学方法生成的透明介质 膜。 • 薄膜的用途:增强原基片的光学性能, 如增强透射率、增强反射率、调整光束 的光谱分布等
4-3 几种常用的薄膜系统
• 双层增透膜
– 膜厚均为λ0/4,n2=(nG/n0)1/2n1时,对λ0, R=0,但光 谱响应呈现V字形[图(4-16)] – n1h1= λ0/4,n2h2= λ0/2,n2提高,尽管对λ0,R≠0, 但光谱响应呈W字形[图(4-17)],高透过率光谱范围 增加了
4-2
• • • • 近似条件:sin(ε/2)≈ ε/2 ε=4.15/F1/2=2.07π/S A=0.97mS 若令0.97S为有效光束数N,则 A=mN
4-2
FP干涉仪的应用二:激光谐振腔
• FP标准具内放入激光介质, 构成激光谐振腔 • 只有特定频率(纵模)的 光波可以在腔内形成稳定 驻波 • 只有少数纵模可以受激放 大,变成激光输出

高等光学2016-第4章作业参考答案

高等光学2016-第4章作业参考答案

2016高等光学第4次作业答案4-8一对称型带状波导,宽度和厚度分别为a 和b ,导光层的折射率为n ,覆盖层和衬底的折射率为n 0.证明:波导的基模传输条件为a=b 。

解:薄膜波导在x 向有限,y 方向无限大;带状波导,在x 和y 向都有限,宽度为a 和b (类似于矩形波导,参考图(4.1.1))。

x 方向受限的波导稳定传输的条件为(4.2.8)0122a cos ++2i n k m θδδπ=Y 方向受限的波导稳定传输条件为'''0122b cos ++2i n k n θδδπ=基模传输,''112'112===,0mn δδδθθδ==,,, 故a=b 。

4-9 一阶跃型光纤的纤芯和包层的折射率分别为1 1.55n =,2 1.50n =,求光纤在空气中的数值孔径和最大入射孔径角0θ.若将该光纤放入水中(设水的折射率为1.33),问光纤的数值孔径是否会改变?如果改变,则改变量是多少?解:光纤的数值孔径大小与纤芯折射率,及纤芯-包层折射率差有关,表达式为:.所以将该光纤放入水中,其数值孔径不会改变. 最大入射孔径角0θ==023≈4-10 一阶跃型光纤的纤芯和包层的折射率分别为n1=1.52,n2=1.51,现欲使该光纤单模传输,问工作波长分别为λλ00=11.222222和λλ00=00.882222时,光纤的最大芯径应该是多少?解:单模光纤的归一化截止频率(查阅光纤相关资料)0V=k 2.4048≤a λ≤max max =1.2m a =2.64m =0.8m a =1.76mλµµλµµ,,。

第四章 光波导调制器

第四章  光波导调制器

则: 调相波电场为: E (t ) A cos t sin m t 0


m 为调制信号的角频率
一 光波调制的基本概念--偏振调制
在一定条件下,可以利用两个调相波构成偏 振调制。 假定两个同频率的光载波传播方向,偏振方 向相互垂直.则两个调相波分别为:
E x (t ) A1 cost 1 M (t ) 01 E y (t ) A2 cost 2 M (t ) 02 消去后:
1 1 ( 2 ) i , j ( 2 ) i , j xi y j 1 n i, j n
其中( ( 1 1 ) 是由外加电场引起的 ( ) i , j 的增量,在主轴坐标系 下,可以表示为: i, j n2 n2 K 1, 2, 3 E K 为外加电场分量 r ijk 为电光系数张量元素
E(t ) A coswt (t )
A, 为光载波的振幅和角频 率
(t ) 为已调波的瞬时相位
(t ) M (t ) 0 0 为初相位 为调制指数 M (t ) 为归一化调制信号
一 光波调制的基本概念--相位调制
例如:
正弦调制信号: M (t ) sin m t
衡量调制器性能优劣的质量指标主要是最大 调制深度/最高调制频率/调制带宽/单位带 宽的驱动功率等. 调制深度:
( I 0 I ) / I 0 I ( I 0 I ) / I M I0 IM I0 IM
I 为调制器施加某一调制 信号时的输出光强, I M为施加最大调制信号时 的输出光强, I 0为无调制信号时的输出 光强。
三. 晶体中的光波--晶体的电光效应
1 1 r13 E z 2 ,r33 E z 2 n0 ne

《光纤通信》第4章 复习思考题参考答案

《光纤通信》第4章  复习思考题参考答案

第4章 复习思考题参考答案4-1 简述半导体发光基理答:在构成半导体晶体的原子内部,存在着不同的能带。

如果占据高能带(导带)c E 的电子跃迁到低能带(价带)v E 上,就将其间的能量差(禁带能量)v c g E E E -=以光的形式放出,如图4.2.1所示。

这时发出的光,其波长基本上由能带差E ∆所决定。

能带差E ∆和发出光的振荡频率o v 之间有hv E =∆的关系,h 是普朗克常数,等于6.625?10?34 J ?s ?。

由c vλ=得出1.2398hc E Eλ==∆∆(?m ) (4.2.1) 式中,c 为光速,E ∆取决于半导体材料的本征值,单位是电子伏特(eV )。

图4.2.1 半导体发光原理4-2 简述激光器和光探测器的本质区别答:发光过程,除自发辐射外,还有受能量等于能级差hv E E E =-=∆v c 的光所激发而发出与之同频率、同相位的光(激光),即受激发射,如图4.2.2(b )所示。

图4.2.2 光的自发辐射、受激发射和吸收反之,如果把能量大于hv 的光照射到占据低能带v E 的电子上,则该电子吸收该能量后被激励而跃迁到较高的能带c E 上。

在半导体结上外加电场后,可以在外电路上取出处于高能带c E 上的电子,使光能转变为电流,如图4.2.2(c )所示,这就是光接收器件。

4-3 自发辐射的光有什么特点答:对于大量处于高能带的电子来说,当返回v E 能级时,它们各自独立地分别发射一个一个的光子。

因此,这些光波可以有不同的相位和不同的偏振方向,它们可以向各自方向传播。

同时,高能带上的电子可能处于不同的能级,它们自发辐射到低能带的不同能级上,因而使发射光子的能量有一定的差别,这些光波的波长并不完全一样。

因此自发辐射的光是一种非相干光,如图4.2.2(a )所示。

4-4 受激发射的光有什么特点答:受激发射生成的光子与原入射光子一模一样,即它们的频率、相位、偏振方向及传播方向都相同,它和入射光子是相干的。

第四章 光纤传感器2010部分习题

第四章 光纤传感器2010部分习题

9. 何谓形状记忆合金?何谓形状记忆效应?有哪几种类型的形状记忆效应? 答:在低温下使合金变形,然后将合金加热到一定温度,合金将回复到高温下的形状,这种现象称 为形状记忆效应。具有形状记忆效应的合金称为形状记忆合金。 形状记忆效应的分类: ①单程形状记忆效应 加热时回复到高温形状,冷却时不再变化。 经过一定的训练后,可能会具有双程形状记忆效应。 ②双程形状记忆效应 加热时回复至高温形状,冷却时回复到低温形状。 ③全程形状记忆效应 加热时回复至高温形状, 冷却时回复到低温形状, 继续冷却时变成曲率与高温形状相反的形状。
工作原理:把部分参考光纤绕在压电陶瓷(PZT)环上,当复合材料受力使信号光相位改变时, 为使相位差ψ仍保持π/2,电压则发生变化,这样监测输出电压的变化则可以检测出信号光纤与参 考光纤的相位差ψ值。 特点: ①干涉光强度与相位差有关 : 在π/2 处灵敏度最高
②在参考臂中设置相位调制器,将信号光与参考光的相位差总保持在π/2 处(零差检测)。 ③相位调制器由 PZT 环及绕在其上的部分参考光纤组成.工作时,驱动电压使 PZT 环膨胀, 导致参考光纤内相位变化,从而保持信号光与参考光之间π/2 的偏置。 ④仅适用于实验室。 (2)麦克尔逊(Michelson)光纤传感器 工作原理:将信号臂和参考臂同时埋入复合材料中,还靠得很近,两根光纤端面各自形成反射镜 并与耦合器一起形成干涉仪回路。当复合材料在外加负载作用下发生应变时,待测场使探测区信号 光纤相对参考光纤产生相对相位差, 并经耦合器输出检测, 由干涉光强的变化 I 便可得到待测外场 引起的相位差的变化 。
(5)双模光纤 引子:干涉型光纤传感器必须有信号(信号臂)和参考(参考臂)两条通道,以便形成干涉。若 两者都埋入复合材料中,则产生同样的相位变化,起不到参考的作用。若将参考臂置于复合材料外 或加以屏蔽,则不适于实际应用。 措施:用单根光纤中两个不同的传输模分别作为信号通道和参考通道,代替干涉仪中的两根 光纤,不但可克服上述的困难,而且能使埋入光纤数减少一半。 (6)同心双通道光纤 组成:中心是弱波导单模纤芯,周围是环状大数值孔径多模纤芯 工作过程及其特点: I.当光纤在复合材料中受到扰动时,光从弱波导单模纤芯部分泄漏到多模环形芯中。 II.在环形波导中,光的传播速度与在单模芯中不同,因此在光纤检测端能先后收到两个信 号,一个来自中芯,一个来自环形芯。 III.信号到达时间差确定了扰动位置,环形多模芯中的强度确定了扰动的大小。 6. 试述四种光纤传感器的工作原理,并比较这四种光纤传感器的优缺点。 (1)马赫—泽德(Mach-Znhnder)光纤传感器

第4章 光波导的制备技术

第4章 光波导的制备技术

表4-7表明,用于LD,LED,PD的衬底材料主要为砷化镓、磷化铟、锗和硅。
4.2 光波导衬底材料及加工
4.2.1 光波导衬底材料
材料 波长/µm 0.633 1.064 0.633 0.633 0.633 折射率 1.457 透光范围/µm
熔石英(SiO2)
高硼硅酸玻璃 派热克斯玻璃 钠玻璃
0.12-4.5
4.1 光波导制作概述
4.1.3 材料与制作技术
材料 制作技术 旋转涂敷 真空镀膜 溅射 化学汽相沉积(CVD) 聚合 热扩散 离子交换 离子注入 液相外延生长(LPE) 汽相外延生长(VPE) 高分子 化合物 √ 玻璃 硫硒碲 化合物 √ √ LiNbO3 LiTaO3 ZnO Nb2O5 Ta2O5 Si3N4 YIG
4.1 光波导制作概述
4.1.4 波导的结构、制作方法和特性
表4-2到表4-6列出了不同材料的波导的结构、制作方法和特性
材料 制作技术 淀 积 法 高分子 化合物 √ 玻璃 硫硒碲化 LiNbO3 合物 LiTaO3 √ √ ZnO Nb2O5 Si3N4 Ta2O5 YIG
外 延
旋转涂敷 真空镀膜 溅射 化学汽相沉积(CVD) 聚合 热扩散 离子交换 离子注入 液相外延生长(LPE) 汽相外延生长(VPE)
1.451 1.470 1.472 1.512 0.21-5.0 0.28-4.5 0.44-3.4
表4-8表明,用于衬底玻璃的材料主要为熔石英、高硼硅酸玻璃、派热克斯玻璃和钠玻璃。
4.2 光波导衬底材料及加工
4.2.1 光波导衬底材料
材料 LiNbO3 LiTaO3 波长/µm 0.633 1.0 0.633 1.2 折射率 ne=2.200、 no=2.286 ne=2.157、 no=2.237 ne=2.180、 no=2.176 ne=2.188、 no=2.131 透光范围/µm 0.4-5.0 0.45-5.0

04薄膜波导模式理论

04薄膜波导模式理论

2 q2
2 p2
a arctan(q / ) m1 π
a arctan( p / ) m2 π
d mπ arctan( p / ) arctan(q / ) m m1 m2 0,1, 2,...
n1 n2… n3
d 2 E y ( x) dx
d 2 H y ( x) dx
2
( i 1, 2, 3)
(i 1, 2, 3)
图4.3 均匀薄膜波导
[n K ]H y ( x ) 0
2 i 2 0 2
2 i2 ni2 K0 2
各区微分方程解的形式由 i 决定。 i 为正时方程的解是余 弦(正弦)函数; i2 为负时,方程的解则为指数函数。考虑到 物理上的合理性,对于导模,芯层的电磁场必然是振荡型的, 即在x方向上呈驻波分布,而在衬底和覆盖层,电磁场必然 是随离开界面的距离的增加而衰减的倏逝波。
E y i H z x i H x H z i E y x
H y、Ex、Ez
TM模
H y E x
Transverse Magnetic (TM) Mode
d2 2 2 2 H ( n K )H y 0 y 0 2 dx
10
H i E z x y i E x E z i H y x
n12 K 02 2
2 2 2 2 n2 K0
TE导模: s=0;TM导模: s=1. 平面薄膜波导中的模式根据其偏振状态划分为TE模和TM模。 TE(横电)模,电场没有z分量,只有垂直入射面的分量; TM(横磁)模,磁场没有z分量,只有垂直入射面的分量。

Chap4 第四章 导波光学中的倏逝场1

Chap4 第四章  导波光学中的倏逝场1

( 4 .6 )
rC if x ≥ 0 exp(− rx ) 2 n 0 −j q (− C sin qx + D cos qx ) Ez = if 0 ≥ x ≥ −2a ωε 0 n0 2 p if − 2a ≥ x n 2 (C cos 2aq − D sin 2aq )exp[ p( x + 2a )] 0 对应的本征值方程为
其中,n1n2 为芯径和皮层的折射率,Jv 为 v 阶一类 Bessel 函数;Kv 为一类 v 阶修正 Bessel 函数。 同样可以得到 Hz (r) 的类似表达式。 其它分量可以用 Maxwell 方程推导出来。 芯层外的皮层里面对应着该模式的倏逝波成分。 Fig.4.11,Fig.4.12 , Fig.4.13 给出了 TM01、TM02、TM21 模式的 Ez 和 Hz。V 为归一化的频率
( 4 .2 )
0 ≥ x ≥ −2 a if − 2a ≥ x
其中 p、q 和 r 是传输常数
q 2 = n1 k 2 − β 2
2
p 2 = β 2 − n22k 2 r 2 = β 2 − n 23k 2
其中 k = ω (µ 0ε 0 )
1/ 2
(4.4)
。由连续性条件得到本征值方程为
tan (2aq ) =
if x≥0 A exp(− rx ) E y = A cos qx + B sin qx if 0 ≥ x ≥ −2a ( A cos 2aq − B sin 2aq )exp[ p(x + 2a )] if − 2a ≥ x − A exp(− rx ) −j Hz = − q (− A sin qx + B cos qx ) ωµ 0 p ( A cos 2aq − B sin 2aq )exp[ p( x + 2a )] if if x≥0 (4.3)

《光电子技术基础》(第二版)朱京平第4章光波导技术基础

《光电子技术基础》(第二版)朱京平第4章光波导技术基础
反射波振幅:菲涅尔(Fresnel)公式:
rnn11ccooss11 nn22ccooss22
r//
n2cos1n1cos2 n2cos1n1cos2
r:振幅反射系数,角标“⊥”和“∥”分别表示电矢量垂直和平行于入射面。
4.1.1 光在介质界面的传播特性
n1 n2 且 1 c 时,产生全反射,其中:
光密媒质:反射波在界面发生相位突变,光强反射率 RR//rr*1,
光密媒质中的场由入射波和反射波叠加而成。入射波电矢量垂直入射面时:
入射电场:E y ( r , t ) E y e i ( t x k 1 r ) E p y e i ( t x k 1 x c 1 p k 1 o z s 1 ) i s
合成波电场 E 1 y r , t E y r , t E y r , t 2 A c h o e x i t s z
同理可得合成磁场:
H 1 xr,t2A si1 n co h sx eit z 1
H 1 zr,t i2A co 1ssih n x ei t z 1
光波导技术基础
学习重点: 平面波导:结构最为简单、直观与精练,便于建立清晰概念 光 纤:应用最广光波导,并且是典型的柱面结构。
电磁场分布特性: 芯区:集中 衬底与覆盖层:紧贴着芯区,沿芯区底外法线方向场指数衰减。
条件: 光波导:无源、无荷、线性、均匀、各向同性、不导电、无损介质界面 入射光:均匀平面波
又由于
Ey Ey
~r expi2
于是有
4.1.2 光密媒质中的波场——导波
E y r , t E y e i e x i t h x p z x p A e i t h x z x p E y r , t E y e i e x i t h x p z x p A e i t h x z x p

光波在光纤波导中的传播

光波在光纤波导中的传播

无偏振
当光波的电场矢量在垂直于传 播方向上没有变化时,形成无
偏振光。
03
光纤波导的结构与性质
光纤的结构
光纤由纤芯、包层和涂覆层组成。纤芯是光波的传输通道,包层对光波进行限制, 涂覆层保护光纤不受外界环境的影响。
纤芯的折射率高于包层的折射率,使光波在纤芯中形成全反射,从而实现光的导波 作用。
光纤的尺寸和形状需精确控制,以确保光波在光纤中的稳定传输。
THANK YOU
光波的能量损失与色散
能量损失
光波在传播过程中由于吸收、散射等原因导致的能量衰减。
色散
不同频率的光波在同一种介质中具有不同的传播速度,导致光波的频率成分分 离的现象。
05
光纤波导中的光波控制技术
光波的调制技术
强度调制
通过改变光波的强度(功率)来 传递信息,通常使用电信号控制
激光器的电流来实现。
相位调制
光纤通信的应用
光纤通信在电信、广播电视、互联网 等领域得到广泛应用,实现了高速、 大容量的信息传输。
光纤通信技术还在医疗、军事、航空 航天等领域有重要应用,如光纤传感 器、光纤陀螺仪等。
02
光波的基本知识
光波的波动性质
01
02
03
波动性
光波作为电磁波的一种, 具有波动性质,如干涉、 衍射等。
传播速度
光纤的传输模式
光纤的传输模式是指光波在光纤中的 传播方式。单模光纤和多模光纤是两 种常见的传输模式。
多模光纤中,允许多个模式的光波同 时传输,具有较大的传输损耗和较窄 的频带范围,适用于短距离和小容量 的信息传输。
单模光纤中,只允许一个模式的光波 传输,具有较小的传输损耗和较宽的 频带范围,适用于长距离和大容量的 信息传输。
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φ1s = arctan
n sin θ − n
2 1 2
2 2Βιβλιοθήκη n1 cosθφ0 s = arctan
2 n12 sin 2 θ − n0
n1 cosθ
而对于TM波(即电场矢量E平行于纸面的p波),有:
n sin θ − n φ1 p = arctan n cosθ / n1
2 1 2 2 2 2 2
2π m=
λ0
2 h n12 − n2 − φ0
π
与该m对应的模式处于截止状态, 与该 对应的模式处于截止状态,而比它低的模式处于导 对应的模式处于截止状态 行状态。波导中导波模式的数量是TE模和TM模的模式数量之 行状态 和。膜越厚(h越大),n1与n2差别越大,波导中的模式数量 就越多。
二、平板光波导的波动理论
用射线法讨论平板波导,物理概念清楚、明确, 用射线法讨论平板波导,物理概念清楚、明确, 得出的许多结论不仅对平板波导, 得出的许多结论不仅对平板波导,而且对其它形式的 介质波导也是很有价值的。 介质波导也是很有价值的。但对波导中各模式对应的 电磁场的具体分布形式, 电磁场的具体分布形式,射线法尚不能给出满意的解 答,必须应用电磁场的波动理论结合波导的边界条件 来确定。 来确定。
2 2h n12 − n2 对于n 的所谓对称平板波导,截止波长为: 对于 2=n0的所谓对称平板波导,截止波长为: λc = m
该式对TE模和TM模都适用,这就是说,对于对称波导,模序 数相同的TE模和TM模具有相同的截止波长 λc 。但是,TE0模 (或TM0模)的截止波长=∞,此时没有截止现象,这是对称 波导的特有性质。
B
θ
C B


D
A A

C 射线
D 等相面

图4-2
平板波导中的平面波
所以B、B’点应有相同的相位,C、C’点也有相同的相位。可见 由B到C和由B’至C’所经历的相位变化之差为 2π 的整数倍。于 是两射线的相位差为:
k0 n1 ( BC − B 'C ' ) − 2φ1 − 2φ0 = 2mπ ,

λ0
hn1 cosθ = mπ + φ0 + φ1
对一个给定的模式,m是常数。如果工作波长变化,必须调整 平面波的入射角,才能满足特征方程,形成导波。当 时 θ = θ c1,导波转化为辐射模,此时的波长就是该模的截止波 截止波 长,截止波长用 λc 表示。由上式有
λc =
2πhn1 cosθ c1 mπ + φ0 + φ1
c1 c0
θ c1 = arcsin
θ c 0 = arcsin
n2 n1
n0 n1
由于n2>n0,所以 θ c1 > θ c0 ,当平面波的入射角θ 变化时,波导内 可产生不同的波型。当入射角满足 θ c 0 < θ c1 < θ < 90° 时,入射平 面波在上下界面均产生全反射,此时形成的波称为导波 导波。 导波 当 θ c 0 < θ < θ c1 时,在下界面的全反射条件被破坏; 当 θ < θ c 0 < θ c1 时,上下界面的全反射条件均被破坏。 在这两种情况下均有一部分能量从波导中辐射出去,此时的 辐射模。 波称为辐射模 辐射模 只有导波能将能量集中在波导中导行,在平板型光波导中 只有导波能将能量集中在波导中导行, 导波能将能量集中在波导中导行 即是由导波来传输光能量的。 导波来传输光能量的 即是由导波来传输光能量的。而辐射模却通过界面向外辐射能 是不希望存在的寄生波。 量,是不希望存在的寄生波。
β = k1z = k0 n1 sin θ
α 2 = k0 n1 sin 2 θ − (n2 / n1 ) 2
α 0 = k0 n1 sin 2 θ − (n0 / n1 ) 2
α 横向相位常数k1x决定导波模式在薄膜内的横向驻波规律,0 和α 2 决定导波在上、下界面的横向衰减规律,即决定了导波模式 传播常数),它表示 的横向分布图形。β 称为轴向相位常数(或传播常数 传播常数 导波模式的纵向传播规律,是导波的一个重要参数。
(二)
平板光波导中的导波
1.波的特征方程与横向谐振条件 波的特征方程与横向谐振条件 当平面波的入射角大于临界角时才能形成导波。但在θ > θ c θ 的范围内, 的取值并不是连续的 并不是连续的,只有当入射角满足某些条 并不是连续的 件时,才能在薄膜中形成导波。图4-2表示平板波导中构成导波 的平面波示意图,实线ABCD和A’B’C’D’代表平面波的两条射线。 虚线BB’和CC’则代表向上斜射的平面波的两个波阵面,
2 n12 − n2 n1
因此截止波长表示为:
λc =
2 2πh n12 − n2
mπ + φ0
对于TE模和TM模,把不同的 φ0 代入上式即可得到相应的截止 波长。显然,各模式的截止波长由波导参数 1、n2、n0和h决 截止波长由波导参数n 截止波长由波导参数 决 与入射光频率无关, 定,与入射光频率无关,它是表示波导本身特征的物理量。 不同的模式有不同的截止波长,模序数越高,截止波长越短。 TE0模和TM0模的截止波长最长。模序数相同的TE模和TM模 的截止波长不同。TE模的截止波长较TM模的长,因而在所 有的波导模式中,TE0模的截止波长最长。 模的截止波长最长。
对于定态单色波 定态单色波,其电磁场满足波动方程,若不考虑时间因子, 定态单色波 则波动方程将转化为亥姆霍兹方程。对于TE模,其电场只有沿 y方向的一个分量Ey,并且Ey可以表达为
φ0 p = arctan
2 n12 sin 2 θ − n0 2 n0 cosθ / n1
特征方程中 特征方程 k0 n1 cosθ 是薄膜中波矢量在x方向的分量,它是 薄膜中的横向相位常数,可表示为:
k1x = k0 n1 cosθ
于是特征方程可写为: 2k1x h − 2φ1 − 2φ0 = 2mπ 该式表明,由波导的某点出发,沿波导横向往复一次回到原 处,总的相位变化应是 2π 的整数倍。这使原来的波加强,即 横向谐振条件。 相当于在波导的横向谐振,因而叫做波导的横向谐振条件 横向谐振条件 横向谐振特性是波导导波的一个重要特性。 2.导波的模式 对给定的波导、工作波长和整数m,由特征方程可求出形 成导波的入射角。以该角入射的平面波即形成一个导波模式。
由特征方程,波长越大,要求相应模式光波的入射角越小。因 此,截止波长实际上是波导内允许存在的光波的最大波长 截止波长实际上是波导内允许存在的光波的最大波长。 截止波长实际上是波导内允许存在的光波的最大波长
由于下界面处于全反射临界状态,因而不管对TE波还是TM波, 都有,
φ1 = 0
cosθ c1 = 1 − (n2 / n1 ) 2 =
λc (TM 0 ) < λ0 < λc (TE0 )
当n1与n2差别不大时,TE0模和TM0模非常接近,难以分开,此 时仍可认为是单模传输。因此,单模传输的概念并不严格。
●模数量 当单模传输的条件被破坏(如工作波长缩短)时,即出现 多模共存现象。多模共存时的模数量可由特征方程求得 模数量可由特征方程求得: 模数量可由特征方程求得
φ 当 φ1 、 0 以s波的表达式代入时,得出模式为TE波;当以p波 波 的表达式代入时,得出模式为TM波。 波
当m=0,1,2,…时,可得到TE0、TM0、TE1、TM1、TE2、TM2… 模。m表示了各模式的特点,称为模序数 模序数。 模序数 各模式的特性可用横向相位常数k1x及以下几个参数表示:
4. 单模传输与模式数量 由于TE0模的截止波长最长,因而它的传输条件最容易满足。 在波导术语中,把截止波长最长(截止频率最低)的模式叫做 把截止波长最长( 把截止波长最长 截止频率最低) 基模。平板波导中的TE0模即是基模。如果波导的结构或选择 基模 如果波导的结构或选择 的工作波长只允许TE 模传输,其它模式均截止, 的工作波长只允许 0模传输,其它模式均截止,则称为单模 传输。 传输 ●单模传输的条件是: 单模传输的条件是:
其中: m = 0,1,2,⋅ ⋅ ⋅ 全反射时相位变化
根据图中的几何关系,上式可变为:
2k0 n1h cosθ − 2φ1 − 2φ0 = 2mπ
式中n1、h是薄膜波导的参数,k0是自由空间的波数,它决定 φ φ 于工作波长, 1 、0 与波导的结构参数n1、n2、n0和入射角有关。 当波导和入射波长给定时,上式是关于未知数 的方程,它 θ 波导的特征方程。 确定了形成导波的入射角的条件,因而叫薄膜波导的特征方程 波导的特征方程 特征方程是讨论导波特性的基础。
一、平板光波导的射线理论 平板型波导是介质波导中最简单、最基本的结构, 平板型波导是介质波导中最简单、最基本的结构,理论分 析也具有代表性。故本节就平板型波导从射线理论和电磁 析也具有代表性。 故本节就平板型波导从射线理论和电磁 理论两个方面进行分析。 场理论两个方面进行分析。
n0 θ x z 图 4-1 h n1 n2 平板波导及其中的射线路径
n0 θ x z 图 4-1 h n1 n2 平板波导及其中的射线路径
设在平板波导中,衬底和覆盖层的长度延伸到无穷远,薄膜的 宽度远大于它的厚度。因此,可以认为平板波导中的光波只在 x方向受到限制(见图),并设平板波导的几何结构和折射率 分布沿y方向不变,即折射率分布n(x)只与x有关,相应的模式 也只是x坐标的函数。为简单起见,下面只讨论TE模的场分布 形式。对于TE模,在图4-1所选的坐标系中,它的电磁场分量 H 为 E y 、 x 和 H z 。由于电场与磁场有确定的关系,因此下面 只分析电场Ey。
第四章 光在波导中的传播
光波被约束在确定的介质中传播 时,由这种介质构成的光波通道称 为光学介质波导,或简称为光波导 为光学介质波导,或简称为光波导
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