第1章波导的模式

1 第1 章 波导的模式 1 . 简述光波导模式理论在优化设计和分析模拟光波导器件方面的重要性。 光波导是许多光电子器件的基本结构，如滤波器、波分复用器、路由器、波长变换器、调制器、开关、放大器、激光器等等，这些光电子器件在光通信网络中具有十分广泛的应用。在优化设计和分析模拟这些光电子器件时都要涉及到有关光波导模式的基本理论，因此了解和掌握光波导模式理论就显得十分重要。 2 . 光波导是怎样的一种器件？ 我们知道，光束在介质中传输时，由于介质的吸收和散射而引起损耗，由于衍射而引起发散，这些情况都会导致光束中心部分的强度随传输距离的增大不断地衰减。光波导是这样一种器件，它能使光束的能量在横的方向上受到限制，从而能够引导光束沿特定的方向传输，并使损耗和噪声降到最小。光波导简称波导。 3 . 简述三层平板波导的基本结构。 结构最简单的波导是由三层均匀介质组成的，中间的介质层称为波导层或芯层，芯层两侧的介质层称为包层或限制层。芯层的折射率要比两侧包层的折射率大，使得光束能够集中在芯层中传输，从而起到导波的作用。 令1、2、3 分别为波导芯、下包层和上包层的相对介电常数，n1、n2、n3 分别为相应的折射率。当 n1、n2、n3 各自为常数时，称为陡变式折射率分布，或称为阶梯式折射率分布。为了分析方便，常令123nnn。当23nn时，称为对称型三层平板波导，当23nn时，称为非对称型三层平板波导。三层平板波导的横截面及相对介电常数分布如图所示。 024681 0024681 0bb0bx3=21(x)03120(x)xyx上包层下包层波导芯2 = n221 = n21 3 = n23 2 (a) 横截面图 (b) 非对称型 1 > 2 > 3 (c) 对称型 1 > 2 = 3 (3 题图) 三层平板波导的横截面及相对介电常数分布 4 . 对光波导模式特性的分析，可以采用那些方法？各有什么特点? 对光波导模式特性的分析，可以采用射线光学理论。射线光学理论的优点是对平板波导的分析过程简单直观，对某些物理概念能给出直观的物理意义，容易理解。缺点是对于其他结构更为复杂的波导，射线光学理论不便于应用，或只能得出粗糙的结果。 光在本质上是一种电磁波。研究光在波导中传输的最基本的方法是采用电磁理论，亦即波动光学理论。这种方法是从麦克斯韦方程组出发导出波动方程和亥姆霍兹方程，在一定的边界条件下求其解。一般而言，若想全面、正确地分析各种结构波导的模式特性...