第3章-介质波导
导波光学教学大纲
导波光学教学大纲课程编号：课程名称：导波光学学时学分：48 (教学课时48)先修课程：光电子技术、电磁场理论、物理光学一.课程教学目标：本课程是信息工程（光电信息工程）专业的一门专业必修课。
要求学生学习和掌握波导波光学的基本原理，并对基本的波导结构利用所掌握的知识进行解算。
二.教学内容及基本要求：第一章介质光波导基础理论--电磁场基础知识回顾（4学时）1.1介质光波导（2学时）介绍介质光波导的基本概念、类型等1.2电磁场基本理论回顾（2学时）麦克斯韦方程的积分表达形式、微分表达形式、物理意义，坡印亭矢量及其物理意义、电磁场的波动方程的推导、物理意义第二章理想平板介质光波导（6学时）2.1平板光波导光波特征方程的推导及讨论（截止波长、模式）（2学时）2.2平板光波导的电磁理论求解（2学时）2.3平板光波导中的场分布、归一化参数，MTALAB仿真（2学时）第三章三层平板介质波导（8学时）3.1.用电磁场理论解释均匀三层波导中TE波、TM波的电磁场的分布情况（2学时）3.2.模式方程、模的介质条件、归一化参量(2学时)3.3.模式方程的解传播常数近似方程的推导课题练习（2学时）3.4.利用马卡梯里模型对两个独立的三层平板波导求解其波导方程，课堂讨论（2学时）第四章四层平板介质光波导（6学时）4.1 四层平板波导TE波和TM波的模式方程推导（2学时）4.2 分支波导（2学时）4.3 习题课（2学时）第五章光纤的基础知识（6学时）5.1 光纤传导基本原理，光纤衰减基本原理（2学时）5.2 单模光纤工作原理、高斯光束、结构、截止波长（2学时）5.3 光纤中的色散（从多模光纤的色散，到带宽分析）（2学时）掌握部分：光的导光条件，数值孔径、接收角的物理含义和计算方法、光纤衰减的计算方法和解决方案，光纤的色散机理和对抗措施，带宽与色散的关系第六章光纤的波导技术（12学时）6.1 光纤中的麦克斯韦方程及亥姆霍茨方程的推导（2学时）6.2 利用麦克斯韦方程求光纤中电磁场的分量（2学时）6.3 单模阶跃型折射率光纤中的各个模式及其物理意义的讨论（2学时）6.4 单模阶跃型折射率光纤中场分布及MATLAB数值仿真（2学时）6.5 多模光纤的特征方程及其MATLAB数值求解（2学时）6.6 多模光纤中的场分布及其MATLAB仿真（2学时）第七章光波导的调制（6学时）简要介绍光波调制的种类和基本概念，重点阐述电光调制的基本原理7.1 、7.2 光波调制的基本概念、调制器的性能（2学时）7.3 电光调制的基本原理（2学时）7.4 集成光波导在光纤陀螺中的应用（2学时）。
介质波导
5
第三章 微波集成传输线之介质波导
当r > a 时
Ez C
kc22 j0
( 2) Hm (kc 2 r ) sin m
H z D
kc22 j0
( 2) Hm (kc 2 r ) cos m
k c 2 ( 2 ) m ( 2) Er C H m (kc 2 r ) D H m (kc 2 r ) sin m r 0 m ( 2) ( 2 ) E C Hm (kc 2 r ) Dkc 2 H m (kc 2 r ) cos m r0 k c 2 ( 2 ) m ( 2) H z C H m (kc 2 r ) D H m (kc 2 r ) cos m 0 r m ( 2 ) ( 2) H Ck c 2 H m (kc 2 r ) D Hm (kc 2 r ) sin m r0
慢波导波场被电抗表面束缚在波导内和波导表面附近沿轴向传播
（即表面波），又称为表面波导或开波导 毫米波频段表面波导损耗小（无导体损耗）功率容量大，应用广泛
微波工程基础
2
第三章 微波集成传输线之介质波导
1. 圆形介质波导(circular dielectric waveguide)
设圆形介质波导半径为a，相对介电常数为r(r=1)。 分析表明圆形介质波导不存在纯 TEmn和TMmn模，但 存在 TE0n 和 TM0n 模，一般情况下为混合模 HEmn 和 EHmn模。
k 0 0 r u / a
2 c1 2 c2 2 2 2
2
(3-1)
k 2 0 0 2 w 2 / a 2
其中
(u) Jm X J m (u)
第三章-传输线和波导
3.1.1 TEM波
横电磁波(Transverse Electromagnetic Wave)
Ez H z 0
z j E j H y x y H z j E j H x y x
E
(3.3a) (3.4b)
Ez H z 0
内导体的空心金属管内不能传播电磁波的错误理论。
40年后的1936年，索思沃思和巴罗等人发表了有关波导传播模式的激励和测量
方面的文章后，波导才有了重大的发展。
早期的微波系统主要使用波导和同轴线作为传输线，波导功率容量高，损耗低，
但体积大，价格昂贵；同轴线工作频带宽，但难于制作微波元件。
于是有了第二次世界大战中带状同轴线和1952年微带线的出现以及后来更多平
y j H
j E
j H x j E
x y
消去Hx
2 E y 2 E y
k
Microwave Technique
TEM波截止波数 kc k 2 2 为零。
对于Ex的亥姆霍兹方程而言：
(3.9)
对于 的依赖关系：
(3.9)式简化为：
ez 和hz 是 纵 向 电 场 和 磁 场 分 。 量
Microwave Technique
对于无源传输线或波导而言，麦克斯韦方程可写为：
E jH H jE
z j E jH y x y E z jH j E x y x E E y x jH z x y H z j H jE y x y H z jE j H x y x H H y x jE z x y
(3.2a) (3.2b)
激光原理 周炳琨版课后习题答案
6．某一分子的能级 到三个较低能级 、 和 的自发跃迁几率分别是 ， 和 ，试求该分子 能级的自发辐射寿命 。若 ， ， ，在对 连续激发并达到稳态时，试求相应能级上的粒子数比值 、 和 ，并回答这时在哪两个能级间实现了集居数反转。
解：该分子 能级的自发辐射寿命 为：
在连续激发时，对能级 、 和 分别有：
即该物质的增益系数约为 。
第二章
习题
1．试利用往返矩阵证明共焦腔为稳定腔，即任意傍轴光线在其中可以往返无限多次，而且两次往返即自行闭合。
证：设光线在球面镜腔内的往返情况如下图所示：
其往返矩阵为：
由于是共焦腔，有
往返矩阵变为
若光线在腔内往返两次，有
可以看出，光线在腔内往返两次的变换矩阵为单位阵，所以光线两次往返即自行闭合。
当 时， 小
当 时， 小
3. 在 波长时 ，试求在内径为 的 波导管中 模和 模的损耗 和 ，分别以 ， 以及 来表示损耗的大小。当通过 长的这种波导时， 模的振幅和强度各衰减了多少（以百分数表示）？
解：由
，
， 。
当 时， ，
4.试计算用于 波长的矩形波导的 值，以 及 表示，波导由 制成， ， ，计算由 制成的同样的波导的 值，计算中取 。
得
10m
1m
10cm
0
2.00cm
2.08cm
2.01cm
2.00cm
2.40
22.5
55.3
56.2
从上面的结果可以看出，由于f远大于F，所以此时透镜一定具有一定的聚焦作用，并且不论入射光束的束腰在何处，出射光束的束腰都在透镜的焦平面上。
17． 激光器输出光 ， =3mm，用一F=2cm的凸透镜距角，求欲得到 及 时透镜应放在什么位置。
第3章-介质波导
e angle of incidence Brewster angle
8
全内反射
TE-Wave
He Ee ke e r Hr Er kr
n 2 < n1
x z y
Ee
TM-Wave
He ke Hr kr Er
n1
Eg0
e r
n1 n2
z0
n2
z0
Eg0
z
Eg Eg 0 e z / z 0
z
z
s
y
2ΦC
h
e
e
cc
r
r cs e
e
导波模
两个界面处全内反射 nf > ns > nc
2ΦS
18
nc nf ns
h
z
cc
s
nc
z=h
c e
radiation mode
x
y n=0
nf
ns
e
h
cc
r
substrate mode
d
s
2ΦC
e
h
e
cc r
折射率n同光子能量e和载流子浓度n和p的关系77gaas的折射率同载流子浓度和能量的关系78138ev下gaas的年同载流子浓度的关系7980p和ngaas的吸收系数同np和e的关系81gan折射率的经验公式0000375cm5cm0219106opticslettersv21pp15291531199682alganingan的折射率progquantumelectronv201996pp36183温度的变化不但能使半导体材料的禁带宽度产生变化而且能使其折射率随着温度的升高而升高不同温度下的折射率同光子能量的关系可以定量地表示
《波导理论基础》课件
矩形波导的色散特性主要与波导的尺寸和材料有关，可以 通过优化波导尺寸和材料来降低色散
矩形波导的模式特性主要与波导的尺寸和材料有关，可以 通过优化波导尺寸和材料来降低模式耦合。
矩形波导的应用
通信领域：用于传输信号，提高通信质量 雷达系统：用于探测目标，提高雷达性能 电子对抗：用于干扰敌方通信，保护我方通信安全 医疗领域：用于医疗成像，提高诊断准确性
色散补偿：通过调 整波导参数或结构 ，实现色散补偿， 提高信号传输质量
Part Four
矩形波导
矩形波导的结构
矩形波导是一种常见的波导结构，其截面为矩形。 矩形波导的尺寸包括宽度和高度，这两个参数决定了波导的传输特性。 矩形波导的传输模式包括TE模式和TM模式，其中TE模式是横波，TM模式是纵波。 矩形波导的传输特性可以通过计算其传输常数和色散曲线来获得。
圆波导的传输特性
色散特性：与波长、频率、 材料有关
传输损耗：与波长、频率、 材料有关
传输模式：TE和TM模式
模式转换：TE和TM模式之 间的转换
传输效率：与波长、频率、 材料有关
传输稳定性：与波长、频率、 材料有关
圆波导的应用
通信领域：用于传输信号，提 高通信质量
雷达领域：用于探测目标，提 高雷达性能
损耗与波长的关系：波长 越长，损耗越小
损耗与波导尺寸的关系： 波导尺寸越大，损耗越小
损耗与波导材料的关系： 不同材料的损耗不同，如 金属、陶瓷、塑料等
波导的色散特性
色散现象：波导中 不同频率的电磁波 传播速度不同，导 致信号失真
色散类型：色散可 以分为群速度色散 和相速度色散
介质波导法
介质波导法介质波导法是一种在介质中传播电磁波的方法。
在介质波导中，电磁波通过界面反射来限制在介质内传播。
这种波导结构在许多应用中都得到广泛应用，如光纤通信和微波技术等。
介质波导法涉及到一些关键的概念，例如全内反射和波导模式。
首先，全内反射是指当光线从光密介质射入光疏介质时，当入射角大于临界角时，光线将完全被反射，不再继续传播到光疏介质中。
这种特性是光纤通信中的核心机制之一。
波导模式是介质波导的电磁场分布的一种特定形式。
它是波导中电磁场的准静态解决方案，且具有特定的传播常数。
波导模式的特点是只有特定的频率和传播常数下才能在波导中传播。
这些模式通过波导的物理尺寸和介质参数来确定。
介质波导的设计和分析可以使用一些数学方法和物理原理。
其中，麦克斯韦方程组是描述电磁波的重要工具，它们将电场和磁场之间的关系进行了描述。
此外，电磁波的传播可以使用亥姆霍兹方程进行建模，该方程描述了电磁波在波导中的传播行为。
在实际的介质波导应用中，波导结构的设计和特性分析是非常重要的。
例如，在光纤通信中，波导的损耗和色散特性是需要进行详细研究的。
波导损耗是指光能量在波导中传输时的衰减，这会导致信号的衰减和干扰。
波导色散是因为介质的色散特性而导致信号在波导中传播速率随着频率的变化而变化。
为了实现较低的波导损耗和色散特性，波导的结构和材料选择也是需要仔细考虑的。
例如，在光纤通信中，选择较低损耗和较低色散的材料非常重要。
传统的光纤一般由硅或玻璃制成，这些材料具有低损耗和较低色散特性，使其成为光纤通信中的首选。
除了光纤通信，介质波导法还在微波技术中得到广泛应用。
例如，微波集成电路中的传输线和器件常常使用介质波导结构来实现信号的传输和分配。
在微波波导中，微波信号的传播速率和功率耗散也是需要考虑的因素。
总而言之，介质波导法是一种广泛应用于光纤通信和微波技术等领域的方法。
通过对介质波导的设计和分析，我们可以实现优化的波导结构，从而实现更高效、低损耗的信号传输。
第3章 波导传输线理论
内截面尺寸/mm
直径
壁厚t
97.87
3.30
71.42
3.30
51.99
2.54
38.10
2.03
27.788
1.65
20.244
1.27
17.415
20
3.2.1 波导传输线的常用分析方法 • 金属波导中E、H的求解一般步骤如下： • 第1步 先从纵向分量的Ez和Hz的标量亥姆霍兹方程入手，采用分离变量法解出场的纵向分量Ez、Hz的常
微分方程表达式。 • 第2步 利用麦克斯韦方程横向场与纵向场关系式，解出横向场Ex、Ey、Hx、Hy的表达式。 • 第3步 讨论截止特性、传输特性、场结构和主要波型
3.2.1 波导传输线的常用分析方法 • • ① 波导管的内壁电导率为无穷大，即认为波导管壁是理想导体。 • ② 波导内为各向同性、线性、无损耗的均匀介质。 • ③ 波导内为无源区域，波导中远离信号波源和接收设备。 • ④ 波导为无限长。 • ⑤ 波导内的场随时间作简谐变化。
17
3.2.1 波导传输线的常用分析方法 • 在工程上，应用最多的是时谐电磁场，即以一定角频率作时谐变化或正弦变化的电磁场。由麦克斯韦方程
图3-5 方、圆波导变换器 13
3.2 波导传输线的常用分析方法及一般特性
• 在双线传输线理论中所讨论的是沿双线传输线传输的TEM波，而在金属波导中是不存在TEM波的。这是因
为若金属波导管中存在TEM波，那么磁力线应在横截面上，而磁力线应是闭合的。根据右手螺旋规则，必
有电场的纵向分量Ez，即位移电流 支持磁场。若沿此闭合磁力回线对H做线积分，积分后应等于轴向
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11
全内反射时的反射率和透射率
1 n 1 = 3 .6 n2 = 1
1
TM 0 .8
0 .8
0 .6 TE 0 .4
0 .6 TE 0 .4
T
R
0 .2
TM
0 .2
n 1 = 3 .6 n2 = 1
0 0 5 10 deg 20
0 0 5 10 deg 20
e
e
R reflection factor T transmission factor
反射定律 e r 折射定律 n1 sine n2 sing
rTE
2 2 2 Er n1 cos e n 2 n1 sin e 2 2 Ee n1 cos e n 2 n sin e 2 1
t TE
Eg Ee
2n1 cos e
2 2 n1 cos e n 2 n sin e 2 1
10
全内反射的临界角
Critical angle for the total internal reflection
90 deg 80 n 1 = 1.5 (glass) 70 60 n 1 = 3.6 (GaAs) 50 40 30 20 10 1 1.5 2 2.5 Refractive index n 2 3 3.5 4
n
and r n 2
I
0 c0 2 n Eo 2
Ie
r e
透射率:
T
Wg We
I g A cos g I e A cos e
I g cos g I e cos e
5
斜入射时的TE波
0 c0 2 n1 Er 2 Ir Er 2 R 2 c Ie Ee 2 0 0 n1 Ee 2 0 c0 2 2 n E 2 g cos g I g cos g n E 2 g cos g 2 T 2 c I e cos e 2 n E 0 0 1 e cos e n1 Ee cos e 2
20
21
10
11
12
00
01
02
03
23
归一化频率 归一化折射率b 波导非对称量αE和αM
2 1/ 2 v kh(n12 n2 ) 2 2 2 2 n2 ) (n1 n2 ) b ( N 2 2 2 2 a E (n2 n3 ) (n1 n2 ) a a 2 a 13 M
3
斜入射时的TE波
Ee ke , Se He
ae
Ar
Hr br
kr , Sr Er
a, b: axis of ellipse A ae, be: axis of ellipse Ae area of an ellipse A = ab
boundary
Ae
be
e r
A
g
b
ar
x y z
a
n1 n2 plane of incidence
r cs e
e
guided mode
2ΦS
19
波导模式的基本概念
光在波导内传输时，横向不受限制， 这种电磁波的传播模式称为辐射模。 覆盖层界面上发生全反射，而在薄 膜—衬底界面上发生部分反射，仍 有一部分光波折射进衬底，光仍然 不受限制地穿出波导，构成辐射损 耗。这种电磁波的传播模式称为衬 底辐射模。 光在薄膜的上下两个界面上均发生 全反射，光一旦进入薄膜内就有可 能被限制在里面沿方向传输，其路 径是锯齿形的。这种模式相当于光 受到薄膜的导引而传播，称为导波 模或导模 。
Eg Ee 2n1 cos e
2 2 n 2 cos e n 2 n sin e 2 1
rTM
t TM
7
反射率和透射率同入射角度的关系
1 n 1 = 1 (a ir ) n 2 = 3 .6 (G a A s ) 0 .8
1 TM 0 .8
0 .6 TE 0 .4
R
T
0 .6 TE 0 .4
z
z
s
y
2ΦC
h
e
e
cc
r
r cs e
e
导波模
两个界面处全内反射 nf > ns > nc
2ΦS
18
nc nf ns
h
z
cc
s
nc
z=h
c e
radiation mode
x
y n=0
nf
ns
e
h
cc
r
substrate mode
d
s
2ΦC
e
h
e
cc r
2 n1 1 2 sin 2 e n2
Eg
2n1 cos e Ee n 2 cos e n1 cos g
n1 2 2 n 2 cos e n2 n sin e 2 1 E n2 r Ee n cos n1 n 2 n 2 sin2 2 e 2 1 e n2
e angle of incidence Brewster angle
12
布儒斯特角
光在电介质界面上反射和折射，通常反射光和折 射光都是部分偏振光，只有当入射角为某特定角时 反射光才是线偏振光，其振动方向与入射面垂直， 此特定角称为布儒斯特角或起偏角，用b表示。此 规律称为布儒斯特定律。
当入射角满足关系式tgb=n2/n1 时，反射光为振 动垂直于入射面的线偏振光，该式称为布儒斯特定 律（Brewster law) ，b为起偏振角或布儒斯特角。 光以布儒斯特角入射时，反射光与折射光互相垂 直:b+g=90
TM 0 .2
0 .2
n 1 = 1 (a ir ) n 2 = 3 .6 (G a A s )
0 0 10 20 30 40 50 60 70 deg 90
0 0 10 20 30 40 50 60 70 deg 90
e
e
R reflection factor
T transmission factor
a e a cos e a r a cos r a g a cos g
b e br bg b
x
Poyntingvector SE´H
4
...
Ag
ag
bg Eg Hg kg , Sg
z y
斜入射时的TE波
Poynting矢量
S E H 1 S E B 0 r A b B b A B 0 r 0 r 0 r c 2 2 I E0 S 0 r c E B 光强 2 c
13
全反射
光由光密媒质n1进入光疏媒质n2，当入射角i增 加到某种情形时，折射线延表面行进，即折 射角为90°，该入射角c称为临界角。 n1sinc=n2sin90° sinc= n2/n1 c为临界角。产生全反射的条件是：1，光 必须由光密介质射向光疏介质．2，入射角必 须大于临界角c． 若入射角大于临界角，则无折射，全部光线均 反回光密媒质，此现象称为全反射。
He Ee
TE-Waves at Oblique Incidence TM-Waves at Oblique Incidence Total Internal Reflection TM-Wave TE-Wave n <n
Hr Er
1
2
kr
He
ke e r
x
ke Ee
Hr
kr Er
n1
e r n2 sin c n1
z
Eg Eg 0 e z / z 0
9
全内反射
e r
2 n1 2 cos g j sin e 1 2 n2
n2 sin c n1
z0
2 2 n1 sin2 e n 2 2
TE-Wave
Er n1 cos e n 2 cos g Ee n1 cos e n 2 cos g
0
由于 c
入射能量: We Ie Ae Ie A cose 反射能量: Wr Ir Ar Ir A cosr 透射能量: Wg Ig Ag Ig A cosg 反射率: R Wr I r A cos r I r
We
I e A cos e
Er r Ee Eg Ee t
R r2
R ：反射率
t2
T
n 2 cos( g ) n1 cos( e )
T：透射率
6
斜入射时的TM波
e r
n1 sine n2 sing
cos g
Er n 2 cos e n1 cos g Ee n 2 cos e n1 cos g
Optical Waveguides
Cap layer Film layer Substrate
nc nf ns
d
h
_ nc nf > ns >
16
平面波导
• 最简单的平面波导是由薄膜、衬 底、覆盖三层平板形介质构成。薄 膜厚度，与波长同一量级。 • 均匀和非均匀波导：均匀波导的各 层介质折射率均为常数，非均匀波 导的折射率随空间坐标而变。 • 如果波导薄膜在x、y两个方向的尺 寸可同波长相比拟，则成为条形 （沟道、通道）波导，它对光场在、 两个方向均有限制作用。 • 平板波导也称二维波导，条形波导 也称三维波导。
rTM
tan TE
2 n1 sin 2 e n 2 2 n1 cos e