什么是光波导 光波导传输特征

发布时间:2017-02-28 13:03

光波导是引导光波在其中传播的介质装置,又称介质光波导。那么你对光波导了解多少呢?以下是由小编整理关于什么是光波导的内容,希望大家喜欢!

什么是光波导 光波导传输特征

什么是光波导

光波导(optical waveguide)是引导光波在其中传播的介质装置,又称介质光波导。光波导有两大类:一类是集成光波导,包括平面(薄膜)介质光波导和条形介质光波导,它们通常都是光电集成器件(或系统)中的一部分,所以叫作集成光波导;另一类是圆柱形光波导,通常称为光纤 (见光学纤维)。

光波导由光透明介质(如石英玻璃)构成的传输光频电磁波的导行结构。光波导的传输原理不同于金属封闭波导,在不同折射率的介质分界面上,电磁波的全反射现象使光波局限在波导及其周围有限区域内传播。多模和单模光纤已成功地应用于通信。光纤的传输特性对外界的温度 和压力等因素敏感,因而可制成光纤传感器,用于测量温度、压力、声场 等物理量。

平面介质光波导是最简单的光波导,它是用折射率为n2的硅(或砷化镓,或玻璃)作基片,用微电子工艺在它上面镀一层折射率为n1的介质膜,再加上折射率为n3的覆盖层制成。通常取n1>n2>n3,以便将光波局限在介质膜内传播。条形介质光波导是在折射率为n2的基体中产生一个折射率为n1的长条,取n1>n2,以便将光波局限在长条内传播。这种光波导常用作光的分路器、耦合器、开关等功能器件。

光波导的横向尺寸比光的波长大很多时,光的波动性所产生的衍射现象一般可略去不计,可用几何光学定律来处理光在其中的传播问题。如集成光波导和阶跃折射率光纤中,都是利用入射角大于临界角使光在边界上发生全反射,结果光便沿折线路径在其中传播。梯度折射率光纤中,则利用光逐渐往折射率大的方向弯曲的规律,使光线沿曲线路径在其中传播。

光波导的横向尺寸与光的波长相差不大时,光的波动性所产生的衍射现象便不能略去,需用光的电磁理论来处理光在其中的传播问题。即由麦克斯韦方程组出发,列出边界条件,求解光波的电场和磁场在光波导内的分布和传播特性,从而解决有关问题。计算表明,对于一种给定形状和折射率的光波导,能在其中传播的光波,其电场和磁场的分布有各种不同形式,把每一种形式叫作一种传输模,简称为模。每种模都存在一个截止频率,如果光波的频率低于这个截止频率,这种模的光就不能在该光波导中传播。光纤的直径越大能传输的模数就越多。能传输多种模的光纤叫作多模光纤;只能传输一种模的光纤叫作单模光纤。多模光纤常用于近距离传输,如内窥镜等;单模光纤则用于远距离通信。

光波导的结构

现代应用的光频的波长介于0.8—1.6微米之间。实用光波导有光导纤维(见光纤光缆)、薄膜波导、带状波导等三类。光导纤维的一个传输特性是衰减很小、频带很宽、抗电磁干扰,主要用于通信;光导纤维的另一传输特性是对外界的温度和压力等因素敏感,因而可制成光导纤维传感器,用于测量温度、压力、声场等物理量。

薄膜波导有三层介质,中层的薄膜厚度约1—10微米,上层(通常即为空气)和底层介质的折射率n0与n2都小于n1。当薄膜的宽度为有限尺寸时,称为带状波导。光波能量主要集中在W×d的矩形带状结构中。薄膜波导与带状波导主要用于制作有源和无源的光波导元件,如激光器、调制器和光耦合器等。它们采用半导体薄膜工艺,适合于制成平面结构的集成光路(即光集成部件)。

光波导传输特性

光纤的传输衰减很小,频带很宽。例如,在1.5微米波段衰减可小到0.2分贝/公里,频带宽达108/公里数量级(多模光纤)或109赫/公里数量级(单模光纤),如此优良的性能是其他传输线难以达到的,因而光纤可用于大容量信号的远距离传输。薄膜波导和带状波导传输特性及其分析与光纤类似。由于它们主要用来构成元件,对传输衰减与频带要求并不严格。严格求解光波导中的电磁场的矢量解较为困难,故通常用标量近似法、射线法等近似解法分析其传输特性,包括各个模式的场分布、色散以及模式之间的耦合等。

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