光电子技术

第三章 光波的传输

波动光学基础

对光的解释,有射线光、波动光、量子光几类解释,分别对应用到几何光学,物理光学,量子力学领域知识。

什么是?不仅仅是软绵绵、圆鼓鼓的那个,物理学中的波是一种随时间推移,在空间内发生转移的能量。

在空间中以特定形式传播物理量

答案是显而易见的————时间停转,水止风静,同样的,时间静止的时候,波一定也是停止传播的;那么,波的传播的另一个条件,就应当是随着时间的推移,也就是波的传播是与时间和空间都有联系的,波向前运动时,时间增加,走过的路径也同时增加。

所以说,波的传播与时间有关,通常包含时间参量 $t$。

那么,我们就可以根据这一定义,发现一些波的例子,比如:

一般形式的光波:

  1. 单色光:单一频率的光波(平面/球面)。
  1. (单色)平面波
  时间域 空间域
周期 $T$ $\lambda$
频率 $v$ $f$
角频率 $\omega=2\pi v=\frac{2\pi}{T}$ $k=2 \pi f = \frac{2\pi}{\lambda}$

各向异性介质传播(晶体光学):双折射现象

e光:由于波矢动量守恒,所以其等相位面依然与入射等相位面一致,只是

薄膜波导

#------------------------#
#     限制层 $n_1$        #
#     波导层 $n_1$        #
#     限制层 $n_2$        #
#------------------------#

作用:可以在两个方向上都控制住光的折射损耗。

$n_1>n_2, n_1>n_3$

通常:波导一定是在折射率最大的层中传播的,否则损耗非常大。

圆柱形波导

结构

应用

  1. 集成光路
  2. 光纤通信
  3. 传感技术
  射线光学 波动光学
适用条件 $\lambda « d$ $\lambda ~ d$
研究对象 光线 模式
基本方程 射线方程 波导场方程
研究方法 折射、反射定理 边值问题
主要特点 约束光线 模式

用不同的坐标系,可以得到不同的边界条件的,更复杂的解。

如果只停留在全反射层面,说明你的波导理论还没有入门? 实际传输的不是一根光线,而是一束等相位光场传播,当发生反射时,空间局部会发生交叠。 平面光束越宽,交叠区域越大 -> 引发一个核心问题:输出为若干光场的叠加,薄膜光场输出为一个干涉光场。

波矢在两次反射中上下两次

局域场中的普适结论

光纤

典型光纤

分阶跃型光纤、梯度折射率光纤。

通信常用:阶跃型单模光纤。

阶跃型单模光纤

对称型平板波导,其TE、TM模式同时存在、且无法区分,所以可以认为是单个模式,即单模光纤。

重要参数

数值孔径

对应临界折射角,存在一个临界入射角 $\varphi$, 则数值孔径:

物理意义:表示光纤捕捉光线的能力,NA越大,捕获能力越强。

对于 $\lambda = 1.55\mu m$ 处典型值 $$

相对折射率

不考。

当 $n_1,\ n_2$ 都很小时,可以近似为

数值孔径:与纤芯与包层的折射率差(又与$\Delta$有关)有关。


  1. 电磁场仿真软件

预备知识

1. 光栅

  1. 光栅:广义来讲,具有周期性

  2. 单缝衍射因子:当缝宽很宽,(~1cm时),由于缝宽远大于波长,所以衍射效应不明显,多缝干涉的前提是,单缝衍射效应要足够明显。

超人 两个的折射率不同,光程差公式可以省略那部分的影响吗 东篱悠然 进入房间

黄礼刚 相邻光束的传播距离非常近,所以不同光束之间的相位差主要由衍射角度决定,而不是由声光效应带来的额外差 黄礼刚 所以布拉格光栅主要是振幅效应,拉曼奈斯衍射主要是相位效应

五、磁光调制

基本原理

  1. 原理:法拉第旋光效应,或者折射率调制型。

光隔离器

  1. 输入输出需要对准起偏器的方向,否则无法通过。
  2. 偏振态无关隔离器:结构比较复杂,需要使用组合光路,需要很多个元件的组合。
  3. 原理:磁光效应,由于其偏振态旋转方向与入射方向无关,所以入射与出射光路不可逆->光隔离器。
  4. 是一种纵向调制效应,调制方向与入射方向垂直。
  5. 做电光调制器:不能做为超高频率,由于磁场有延迟性。

  1. 偏振态:旋转180度,仍然为同样的偏振方向(幅值相反)。
  2. 电光开关:可以做到100 GHz的量级。
  3. 力热声光电:都可以作为调制原理,较快的是声光电