1 c
时，
~ r
n2 cos 1 i sin 1 n 1
2

2
式中
n2 cos 1 i sin 1 n 1
2
2 2
2
exp( i 2 )
arctan
sin 1 n2 n1 cos 1
// arctan
sin 2 1 n2 n1
2
n2
n1 cos 1
2
下面我们分析合成场的性质。

4.1.2 光密媒质中的波场——导波
* R R r r 1 ， // 光密媒质：反射波在界面发生相位突变，光强反射率
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：


1965年，美国的Anderson开始用光刻方法制作光波导，
此后各国开始了各种功能光波导器件的研制。

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 过程：全反射 结果：沿界面方向传播的非均匀平面波： 光密介质中，波场沿界面法向按驻波分布——导引波 光疏介质中，波场沿界面法向按指数衰减分布——消逝波
第4章 光波导技术基础
主要内容


4.1平面介质光波导中的光传播与导引波、消逝波、 波导 4.2平面介质光波导中光导模的几何光学分析 4.3平面介质光波导中光导波的物理光学分析 4.4 光纤——圆柱介质光波导 4.5 光纤中光导波的线光学分析 4.6 阶跃光纤中导波的物理光学分析 4.7光纤色散与脉冲展宽
合成波电场
i t z E1 y r , t E y r , t E r , t 2 A cos hx e y
同理可得合成磁场：
H 1x r , t
2 A sin 1
1
coshx e i t z sin hx e i t z




c
n1 k 0 n1 ， k 0 n1 sin 1
称为纵向传播常数；
h k0 n1 cos1 ，称为横向传播常数
又由于
E y Ey
~ r expi 2
于是有

4.1.2 光密媒质中的波场——导波
E y r , t E y exp i exp it hx z A exp it hx z E y r , t E y exp i exp i t hx z A exp i t hx z
E y (r , t ) 入射电场：
反射电场： E y (r , t ) 式中 k1
E y exp i(t k1 r ) E y exp i(t k1 x cos 1 k1 z sin 1 )
' E exp i ( t k y 1 r ) E y exp i (t k1 x cos 1 k1 z sin 1 )

平板与条形光波导： 光学系统小型化、集成化、固体化需求的产物。 起源：1910年，德国的Hondros和Debye进行的电介质棒的研究。


1962年：美国的Yariv从p-n结中观测到平板层中的光波导现象，
1963年，Nelson等人发现了光波导电光调制现象， 1964年，Osterberg 与Smith开始光波导耦合实验。
n2 cos 1 n1 cos 2 r// n2 cos 1 n1 cos 2
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：
n2 c arcsin n1
当

光波导技术基础
光源-------接收器，桥梁: 光波导. 光路要求 :衰减尽可能小+尽可能不失真地传输光。 介质光波导: 将光限制在一定路径中向前传播，减小光耗散，便于光的调制、 耦合等，为光学系统的固体化、小型化、集成化打下了基础
传统光学传输介质: 空气 ，+透镜、棱镜、光栅等光学元件构成光路 长距离传输：存在水吸收、微粒散射，光学元件菲涅尔反射等，无实用价值。 气体透镜：将圆管中充满清洁的空气，四周加热，调整气体流速以保持层流， 用气体温差构成气体透镜，使通过的光向中心汇聚，不致耗散，但难实现。

4.1平面介质光波导中的光传播与导引波、消逝波、波导
4.1.1 光在介质界面的传播特性
电磁波通过两种介质界面——反射和折射： 方向：
1 1'
n1 sin 1 n2 sin 2
反射波振幅：菲涅尔(Fresnel)公式：
n1 cos 1 n2 cos 2 r n1 cos 1 n2做到很小， 分类：平面（薄膜）介质波导、条形介质波导和圆柱形介质波导。

光波导技术基础
光纤： 阶跃折射率光纤： 原理：1854年，英国的Tyndall 石英光纤应用专利： 1927年，英国的Baird与美国的Hansell申请。 玻璃光纤注光：1930年，德国人 细束光纤设计：1958年，美国的Kapany 第二吸收鞘引入：1958年，美国光学公司，为减少光纤包层杂散光； 光纤激光器：1961年，美国的Snitzer研制。 渐变折射率光纤 专利：1963年，日本的西呎等人申请 产品：1968年，日本玻璃板公司研制。 1970年，美国Corning公司研制出20dB/km的低损耗光纤，开始光纤通信 产业化。