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平面光波导_三层均匀平面光波导_射线分析法

三层均匀平面光波导:

  • 折射率沿 x x x 方向有变化,沿 y y y z z z 方向没有变化
  • 三层:芯区( n 1 n_1 n1) > > > 衬底( n 2 n_2 n2) ≥ \geq 包层( n 3 n_3 n3)
  • 包层通常为空气,即 n 3 = 1 n_3=1 n3=1;芯区与衬底折射率之差通常为 1 0 − 3 ∼ 1 0 − 1 10^{-3}\sim 10^{-1} 103101;芯区一般几微米厚

一、三层均匀平面波导的射线分析法

在这里插入图片描述

三层均匀平面波导的传输路线(也是叠加模型)如上图所示:

  • 它可以看作由斜着向上界面行进的平面波(以 B B ′ BB^\prime BB 为等相位面的平面波),与反射2次后再次斜向上运动的平面波(以 C C ′ CC^\prime CC 为等相位面的平面波)相互叠加而成
  • 入射光满足全反射条件仅仅能使光被约束在波导中,是形成导波的必要条件(还有是否可以传输)
  • 因为导波由2个平面波相叠加,所以当两平面波到达同一地点时,只有满足相位相同的条件,才会相干相长,维持光在波导中传播。否则会相互抵消,导致无法传播

传输条件——相干叠加条件的推导:

约束条件: A B − A ′ B ′ AB-A^\prime B^\prime ABAB 平面波(以 B B ′ BB^\prime BB 为等相位面的平面电磁波)向前传播,第一个发生第二次反射的点( C C C 点)其发生全反射相移后仍应与前一入射平面波保持同相。

记全反射在两界面带来的相移分别为: − 2 ϕ 12 -2\phi_{12} 2ϕ12 − 2 ϕ 13 -2\phi_{13} 2ϕ13

因为 B B ′ BB^\prime BB C C ′ CC^\prime CC 是等相位面,需要 A B A ′ B ′ ABA^\prime B^\prime ABAB 平面波与 C D C ′ D ′ CDC^\prime D^\prime CDCD 平面波相干相长,因此计算 B ′ C ′ B^\prime C^\prime BC B C BC BC 分别带来的光程,且两光程差应为 2 π 2\pi 2π 的整数倍

其中入射光的初始状况、三层均匀平面波导的各层折射率、波导芯区厚度是易于获取的参数,各表达式最终应当尽可能使用这三类参数表达

  • B ′ → C ′ B^\prime\to C^\prime BC 的光程: n 1 B ′ C ′ ‾ = n 1 B C ′ ‾ sin ⁡ θ = n 1 ( P C ‾ − P Q ‾ ) sin ⁡ θ = n 1 ( d tan ⁡ θ − d / tan ⁡ θ ) sin ⁡ θ n_1\overline{B^\prime C^\prime}=n_1\overline{BC^\prime}\sin\theta=n_1(\overline{PC}-\overline{PQ})\sin\theta=n_1\left( d\tan\theta-d/\tan\theta \right)\sin\theta n1BC=n1BCsinθ=n1(PCPQ)sinθ=n1(dtanθd/tanθ)sinθ

    其总相移为: k 0 n 1 ( d tan ⁡ θ − d / tan ⁡ θ ) sin ⁡ θ k_0n_1\left( d\tan\theta-d/\tan\theta \right)\sin\theta k0n1(dtanθd/tanθ)sinθ

  • B → C B\to C BC 的光程: n 1 B C ‾ = n 1 ⋅ d / cos ⁡ θ n_1\overline{BC}=n_1\cdot d/\cos\theta n1BC=n1d/cosθ

    其在界面 1,2 和界面 1,3 分别发生了一次全反射,带来的相移为 − 2 ϕ 12 − 2 ϕ 13 -2\phi_{12}-2\phi_{13} 2ϕ122ϕ13

    其总相移为: k 0 n 1 ⋅ d / cos ⁡ θ − 2 ϕ 12 − 2 ϕ 13 k_0n_1\cdot d/\cos\theta-2\phi_{12}-2\phi_{13} k0n1d/cosθ2ϕ122ϕ13

此时两平面波相干相长即要求:
k 0 n 1 ⋅ d / cos ⁡ θ − 2 ϕ 12 − 2 ϕ 13 − k 0 n 1 ( d tan ⁡ θ − d / tan ⁡ θ ) sin ⁡ θ = 2 m π m = 0 , 1 , 2 , ⋯ k_0n_1\cdot d/\cos\theta-2\phi_{12}-2\phi_{13}-k_0n_1\left( d\tan\theta-d/\tan\theta \right)\sin\theta=2m\pi\quad m=0,1,2,\cdots k0n1d/cosθ2ϕ122ϕ13k0n1(dtanθd/tanθ)sinθ=2m=0,1,2,

此式只与三层平面均匀波导的厚度、折射率,入射光的入射角、波数有关;其分立的解对应导波的不同模式

将上式简记为:
κ d = m π + ϕ 12 + ϕ 13 (模式的本征方程/特征方程) \kappa d=m\pi+\phi_{12}+\phi_{13} \tag{模式的本征方程/特征方程} κd=+ϕ12+ϕ13(模式的本征方程/特征方程)

  • κ = k x = n 1 k 0 cos ⁡ θ = n 1 2 k 0 2 − β 2 = k 0 n 1 2 − N 2 \kappa=k_x=n_1k_0\cos\theta=\sqrt{n_1^2k_0^2-\beta^2}=k_0\sqrt{n_1^2-N^2} κ=kx=n1k0cosθ=n12k02β2 =k0n12N2

  • 模折射率/有效折射率: N = β / k 0 N=\beta/k_0 N=β/k0

  • β \beta β 为传播常数。通过模式的本征方程/特征方程可以求出不同模式的传播常数


对于 TE、TM,其全反射相移公式为:
r T E = E ⃗ 0 ′ E ⃗ 0 = n 1 cos ⁡ θ 1 − n 2 2 − n 1 2 s i n 2 θ 1 n 1 cos ⁡ θ 1 + n 2 2 − n 1 2 s i n 2 θ 1 = e x p [ − j 2 arctan ⁡ ( n 1 2 sin ⁡ 2 θ 1 − n 2 2 n 1 cos ⁡ θ 1 ) ] = e − j 2 ϕ T E r_{TE}=\frac{\vec E_0^\prime}{\vec E_0}=\frac {n_1\cos\theta_1-\sqrt{n_2^2-n_1^2sin^2\theta_1}} {n_1\cos\theta_1+\sqrt{n_2^2-n_1^2sin^2\theta_1}} =exp\left[ {-j2\arctan\left( \frac{\sqrt{n_1^2\sin^2\theta_1-n_2^2}}{n_1\cos\theta_1} \right)} \right] =e^{-j2\phi_{TE}} rTE=E 0E 0=n1cosθ1+n22n12sin2θ1 n1cosθ1n22n12sin2θ1 =exp j2arctan n1cosθ1n12sin2θ1n22 =ej2ϕTE

r T M = H ⃗ 0 ′ H ⃗ 0 = n 2 2 cos ⁡ θ 1 − n 1 n 2 2 − n 1 2 s i n 2 θ 1 n 2 2 cos ⁡ θ 1 + n 1 n 2 2 − n 1 2 s i n 2 θ 1 = e x p [ − j 2 arctan ⁡ ( n 1 2 n 2 2 n 1 2 sin ⁡ 2 θ 1 − n 2 2 n 1 cos ⁡ θ 1 ) ] = e − j 2 ϕ T M r_{TM}=\frac{\vec H_0^\prime}{\vec H_0}=\frac {n_2^2\cos\theta_1-n_1\sqrt{n_2^2-n_1^2sin^2\theta_1}} {n_2^2\cos\theta_1+n_1\sqrt{n_2^2-n_1^2sin^2\theta_1}} =exp\left[ {-j2\arctan\left( \frac{n_1^2}{n_2^2}\frac{\sqrt{n_1^2\sin^2\theta_1-n_2^2}}{n_1\cos\theta_1} \right)} \right] =e^{-j2\phi_{TM}} rTM=H 0H 0=n22cosθ1+n1n22n12sin2θ1 n22cosθ1n1n22n12sin2θ1 =exp j2arctan n22n12n1cosθ1n12sin2θ1n22 =ej2ϕTM

可以简记为:
T E m o d e { ϕ 12 = arctan ⁡ ( P κ ) ϕ 13 = arctan ⁡ ( q κ ) T M m o d e { ϕ 12 = arctan ⁡ ( n 1 2 n 2 2 P κ ) ϕ 13 = arctan ⁡ ( n 1 2 n 3 2 q κ ) TE\ mode \begin{cases} \phi_{12}=\arctan\left( \frac P\kappa \right) \\\\ \phi_{13}=\arctan\left( \frac q\kappa \right) \\ \end{cases} \\\\ TM\ mode \begin{cases} \phi_{12}=\arctan\left( \frac{n_1^2}{n_2^2} \frac P\kappa \right) \\\\ \phi_{13}=\arctan\left( \frac{n_1^2}{n_3^2} \frac q\kappa \right) \\ \end{cases} \\ TE mode ϕ12=arctan(κP)ϕ13=arctan(κq)TM mode ϕ12=arctan(n22n12κP)ϕ13=arctan(n32n12κq)
其本征方程为:
T E : κ d = m π + arctan ⁡ ( P κ ) + arctan ⁡ ( q κ ) T M : κ d = m π + arctan ⁡ ( n 1 2 n 2 2 P κ ) + arctan ⁡ ( n 1 2 n 3 2 q κ ) TE:\kappa d=m\pi+\arctan\left( \frac P\kappa \right)+\arctan\left( \frac q\kappa \right) \\\\ TM:\kappa d=m\pi+\arctan\left( \frac{n_1^2}{n_2^2} \frac P\kappa \right)+\arctan\left( \frac{n_1^2}{n_3^2} \frac q\kappa \right) TE:κd=+arctan(κP)+arctan(κq)TM:κd=+arctan(n22n12κP)+arctan(n32n12κq)

http://www.mmbaike.com/news/62110.html

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