第三章 光波导耦合器
第三章 模耦合理论及应用
B ( z ) B e
A( z ) Ae e
e
A0 e B0 e
j 2 2 z j 2 2 z
e e
jz jz
Ae e j 2 2
2 2 z
A0
2 2
e
j 2 2 z
模型图
3.1.2模耦合理论的基本概念—同向传输
重要性质： 在两个模同步时，耦合系数K只影响耦合长度 的大小，而与最大功率转移率无关， 最大转移率为100%。 在两个模的周期不相同时，功率转移率取决 于耦合系数的大小以及相速度的同步程度， 而不是100%。
模耦合的一般理论
通过麦克斯韦方程求解，利用正交性和 归一化得到模式耦合的一般耦合方程：
2 c 2
其中： 2 1 - 2， 12
3.1.2模耦合理论的基本概念—同向传输
耦合长度 ：
由A(z)可知，当 ( ) z / 2 时,A(z)功率达到最大值，即两个导模之间 实现最大的功率转换。
2 c 2 1/ 2
这个距离定义为耦合长度，用Lc表示：
Lc
a b
jwt jwt
表示传输于波导I和II的光波 a , b
形成一个具有传输常数 e , o 的双波线性耦合。
e , o
是耦合体系中简正模的传输常数。
波导光栅耦合器
¹1996-07-29收稿;1996-08-20定稿º本刊通讯编委
第18卷第2期
半 导 体 光 电
Vol.18No.2
1997年4月
Semico nductor Optoelectro nics
A pr.1997
波导光栅耦合器
¹
袁纵横 刘永智º
庞 涛
(电子科技大学,成都610054)
摘 要: 介绍了近几年国外波导光栅耦合器的研究和应用情况,重点介绍了光栅参数和波导结构对波导光栅耦合器输入耦合效率的影响以及光栅耦合器在光盘读出头、传感器、光谱分析等方面的应用。
关键词: 光波导 波导光栅 耦合器中图法分类号:TN814.6TN622
Waveguide grating photocoupler
Y U AN Zhongheng L IU Yongzhi PAN G T ao
(University of Electronic Science and Technology,C hengdu 610054,CHN)
Abstract:Recent advances in research and applications of waveguide grating photo -coupler are presented,w ith the emphasis on the effect of g rating parameters and w aveg -uide structure on the input coupling efficiency of w aveguide grating photocoupler.Its ap -plications in optical disk pickup,sensor,and spectrum analysis,etc,are also described.
光波导理论与技术
• 光波导基本理论 • 光波导器件 • 光波导材料与制备技术 • 光波导的应用 • 光波导技术发展与展望
01
光波导基本理论
光波导定义与分类
总结词
光波导是用于引导光波的介质通道，根据不同的分类标准可以分为多种类型。
详细描述
光波导是一种能够使光波在介质内部传播的结构，通常由折射率高于周围环境的 介质构成。根据不同的分类标准，光波导可以分为多种类型，如按照形状可分为 平板波导和圆柱形波导，按照功能可分为单模波导和多模波导等。
光波导的波动理论
总结词
波动理论是描述光波在光波导中传播的基本理论。
详细描述
波动理论是研究光波在介质中传播的基础理论，它通过麦克斯韦方程组描述了 光波在空间中的分布和演化。在光波导中，波动理论用于分析光波的传播特性， 如相位速度、群速度、模场分布等。
光波导的传输模式
总结词
传输模式是指光波在光波导中传播时的场分布状态。
热压印法
热压印法是一种利用热压印技术在聚合物薄膜上制备光波 导的方法，通过控制压印温度和压力，在聚合物薄膜上形 成特定形貌和尺寸的光波导。
光波导性能优化
降低损耗
降低光波导的传输损耗是提高光波导器件性能的关键之一。通 过优化光波导的结构设计和制备工艺，可以降低光波导的传输
损耗。
提高稳定性
提高光波导的稳定性对于保证光波导器件的长期稳定性和可靠 性具有重要意义。通过改进光波导的材料和制备工艺，可以提
《光纤传输技术》第三章 无源器件技术
x
端 口
1 23 4 5 6
端 口
1
2
z3
4
y
技术指标
插入损耗 回波损耗 隔离度 串音 偏振相关损耗 偏振模色散 串音指两个不相邻端口之间理论上不能接 收到光信号但实际中由于种种原因而接收 到的功率以dB表示的相对值
光纤的连接
光纤的连接将两根光纤端面结合在一起， 实现光信号的持续传输。 根据连接方式的不同，可分为活动连接和 固定连接。 利用活动连接器是实现活动连接的主要方 法 熔接法是固定连接的主要方法
重复性：每次插拔后其损耗的变化范围，一般 应小于0.1dB。
互换性：是指同一种连接器不同插针替换时损 耗的变化范围，一般应小于0.1dB。
插拔次数：连接器具有上述损耗参数范围内插 拔的次数，一般应在千次以上。
工作温度：在工作温度范围内（-25～＋70℃ 范围内），连接器的损耗变化量应在0.2dB范 围内变化。
第三章 无源器件技术
主要内容
一、光隔离器和光环形器 二、光纤的连接 三、光纤衰减和光开关 四、光纤耦合器 五、光纤光栅 六、波分复用器件
无源器件
无源器件：本身不发生光电或电光转换的器件。 光隔离器 光耦合器 光环形器
实现连接光路、分配光功率以及合波和分波等 作用。
光隔离器(isolator)
光隔离器是一种只允许光沿一个方向 通过而在相反方向阻挡光通过的光无 源器件
聚合物材料在光电器件领域的应用研究
聚合物材料在光电器件领域的应用研究
第一章：引言
光电器件是指能够将光能转化为电能或者将电能转化为光能的设备，广泛应用于通信、能源、信息技术等领域。随着科学技术的进步，新型材料的应用不断拓展着光电器件的性能和功能。聚合物材料作为一类重要的新型材料，因其优良的导电性、光学性能等特点，被广泛研究和应用于光电器件领域。本文旨在系统地阐述聚合物材料在光电器件领域的应用研究。
第二章：聚合物材料的基本特性
聚合物是由大量重复单元组成的高分子化合物，具有多样的结构和性质。聚合物材料的基本特性如下：
1.导电性：聚合物材料可以根据需求进行掺杂或修饰，实现不同的导电性能。例如，导电聚合物通过掺杂导电添加剂，可以具备一定的导电性能。
2.光学性能：聚合物材料的透明度和折射率可以根据不同的分子结构进行调控，使其在光电器件中具有优异的光学性能。
3.机械性能：聚合物材料具有良好的柔韧性和可塑性，可以通过加工和改性来调整其机械性能，满足光电器件在不同环境下的使用要求。
第三章：聚合物材料在太阳能电池中的应用
太阳能电池是将太阳能直接转化为电能的设备，聚合物材料在
太阳能电池中的应用是目前关注的研究领域之一。
1.有机太阳能电池：有机太阳能电池是一种基于聚合物材料的
薄膜太阳能电池。聚合物材料具有较低的成本、柔性和低功率消
耗等特点，在太阳能电池领域具有广阔的应用前景。
2.钙钛矿太阳能电池：聚合物材料作为钙钛矿太阳能电池中的
电子传输材料，可以提高光电转换效率、增强稳定性和延长寿命。
第四章：聚合物材料在光电显示器件中的应用
光电显示器件以其高清晰度、低功耗等优势在消费电子领域得
光学耦合器的原理
光学耦合器的原理
Optical couplers are a fundamental component in modern optical systems, serving as a means to efficiently and effectively transfer optical signals from one component to another. The principle behind an optical coupler is to transfer optical power from one optical waveguide or fiber to another. This is typically achieved using the principles of evanescent field coupling, directional coupling, or mode interference.
光学耦合器是现代光学系统中的基础组件，是一种有效且高效地将光信号从一个光学组件传输到另一个光学组件的方法。光学耦合器的原理是将光功率从一个光波导或光纤传输到另一个。这通常是通过偶极子图耦合、方向耦合或模式干涉的原理实现的。
One of the most common types of optical couplers is the directional coupler, which consists of two parallel waveguides in close proximity. The optical power in the input waveguide can be transferred to the output waveguide through evanescent field coupling. This transfer of optical power can be controlled by varying the separation between
耦合器用途
耦合器用途
耦合器是一种用于将电能、磁能或机械能从一个系统传递到另一个系统的装置。它在电子、电力、光学和机械等领域中有广泛的应用。耦合器通过将能量从一个系统输送到另一个系统，实现了系统之间的连接和相互作用，对于实现信息传输、信号匹配、能量传递和系统控制等方面起到重要的作用。
在电子领域，耦合器主要用于将信号从一个电路传递到另一个电路，实现信号的传输和处理。其中最常见的电子耦合器是电容耦合器和变压器耦合器。电容耦合器通过电容器将信号从一个放大器的输出传递到另一个放大器的输入，实现信号的放大和传输。变压器耦合器则通过变压器将信号从一个电路的次级线圈传递到另一个电路的主级线圈，实现信号的匹配和传递。电子耦合器可用于放大器、滤波器、混频器等电子器件中，提高电路的性能和功能。
在电力系统中，耦合器主要用于将电能从一个电路传递到另一个电路，实现电能的传输和分配。最常见的电力耦合器是变压器，它能将交流电能从一端的高电压传递到另一端的低电压，实现电能的输变。变压器广泛应用于电力输配系统中，用于升压、降压、配电和变频等方面。除了变压器，电力系统中还使用耦合电容器和电感器等元件来实现功率传递、滤波和电能质量改善等功能。
在光学领域，耦合器主要用于将光能从一个波导传递到另一个波导，实现光信号的传输和耦合。光波导耦合器是光通信和光电子学中的关键元件，用于光纤通信、光器件集成、光传感等领域。光学耦合器可以通过折射、反射、干涉和光纤耦合
等方式实现光能的传递和耦合，具有高效、小尺寸和低损耗等优点。
在机械领域，耦合器主要用于将机械能从一个轴传递到另一个轴，实现机械功的传递和传动。最常见的机械耦合器是齿轮耦合器，它通过直接接触和齿形的嵌合，实现轴的同步旋转和扭矩的传递。机械耦合器可以用于传动系统、转动装置和传感装置等方面，提高机械装置的性能和可靠性。
光芯片结构
光芯片结构
光芯片是一种基于光学原理的集成电路，它可以实现光信号的传输、处理和控制。在光芯片的设计中，光芯片结构是一个关键因素，它直接影响光芯片的性能和功能。
光芯片结构通常由光波导、光耦合器、光调制器和光探测器等组成。其中，光波导是光芯片的基本结构，它能够将光信号从一个位置传输到另一个位置。光耦合器则用于将光波导中的光信号耦合到外部光纤中，或者将外部光纤中的光信号耦合到光波导中。光调制器和光探测器则分别用于对光信号进行调制和检测。
在光芯片的实际应用中，光芯片结构的选择和设计需要考虑多个因素，如光学性能、电学性能、制造工艺等。此外，为了提高光芯片的性能和功能，还需要进一步研究和开发新的光芯片结构和制造工艺。
总之，光芯片结构是光芯片设计中至关重要的一个方面，它的优化和改进将有助于推动光通信和光电子技术的发展。
- 1 -
光纤耦合器
光纤的发展 光纤无源器件的蓬勃发展 耦合模理论 耦合器件种类及应用 光纤耦合器的制作
ຫໍສະໝຸດ Baidu
一、光纤的发展
1. 光纤的诞生 2. 光纤的构造与分类 3. 光纤传光原理 4. 光纤光缆的制作
1、光纤的诞生
在光纤出现之前，人们一直在追寻一种性能稳定 的，廉价的，方便使用的介质来传输光信号。最 初人们认识到光的直线传播，反射特性后除了利 用大气做为波导，还开始采用各种介质利用作为 光的传输介质。例如介质透镜、反射镜波导、气 体透镜波导等，使光束限制在一定范围内并沿确 定路线传播。在半导体激光器和集成光路中用到 的平面型介质波导也被尝试作为光波导使用，由 于制作成本高，工艺复杂，不适于大量铺设。能 不能象电信号依靠铜缆传输一样，找到一种光波 导来实现光信号廉价、低损耗的稳定传输呢？
按照零色散波长将单模光纤分为6种
非色散位移光纤：G.652 色散位移光纤：G.653 将零色散窗口从1310nm移
到1550nm窗口 截止波长位移光纤： G.654 非零色散位移光纤：G.655 将零色散窗口从
1310nm移到1460~1500nm 色散平坦光纤（1310-1550nm都是低色散） 色散补偿光纤（1550nm有很大负色散）
• 5层大约0.9mm左右
光纤的分类－1
从原材料分：
石英系光纤 多组份玻璃光纤 氟化物光纤 塑料光纤 液芯光纤 掺杂光纤，如掺铒光纤
《光纤通信》第3讲_无源光器件
多层电介质干涉膜型合波分波器，是把具有接近λ /2或者λ /4光学厚度的高折射率电介质膜和低折射率电 介质膜交替重塑形成薄膜，于是对于特定波长表现出 较强的选择性。这种波长选择性主要依赖于电介质膜 的层数、膜的厚度、膜的材料等。
采用电子射束蒸镀方法，可将SiO2（低折射率材料， n=1.46）和 TiO2（高折射率材料，n＝ 2.3）积层 20～40层， 实现带通滤波器（BPF）、长波长带通滤波器（LWPF）、短 波长带通滤波器(SWPF)等各种滤波特性。
它们在系统中各起着光学连接、光功率分 配、光波分复用、光信道切换及光信息的衰减、 隔离和调制等。由此看来，无源光器件在光纤通 信系统中起着重要的作用。本讲仅介绍几种常用 的无源光器件的原理及性能。
一、光纤的连接与光纤连接器
光纤连接器 fiber optic connector 又称光纤活动连接器，俗称活动接头，用
Lin=10lg[∑Pj/Pi] j=1….N 式中Pj为从各端口输出的功率，Pi为从某个输 入端上输入的功率。对传输型耦合器，N为输出端 数；对于反射型耦合器，N为输入端数与输出端数 之和。
进入星形耦合器的光功率分配是等分到N个输 出端口，即任一个输出端口得到的光等于各个输出 端口输出的功率和的1／N，它称为功率分配系数。
这种带通滤波器的实际结构如图所示。
四、光隔离器
半导体激光器及光放大器等对来自连接器、熔接点、 滤波器等的反射光非常敏感，并导致性能恶化。因此需要 用光隔离器阻止反射光。光隔离器是一种只允许单向光通 过的无源光器件，其工作原理是基于法拉弟旋转的非互易 性。
光纤放大器工作原理
光纤放大器工作原理
光纤放大器是一种将输入的光信号放大的装置，它可以将光信号增加到足够的强度，以便在光纤传输过程中减少信号衰减和失真。
光纤放大器的工作原理基于两个主要过程：激发和放大。
首先，通过一个光源来产生入射光信号，该光信号将通过一对光栅耦合器（光波导耦合器）分为输能光和泵浦光。
泵浦光是一个高功率的激光光束，它的能量被传递到输能光上。当泵浦光和输能光重叠时，泵浦光的能量将转移到输能光信号上，从而提高输能光的光强度。
这个过程是通过受激辐射的概念来实现的。当输能光和泵浦光重叠时，泵浦光的光子将通过受激辐射引发输能光中原本已存在但能量较低的光子跃迁到更高的能级，从而放大输能光信号。
随着逐渐放大的光信号沿着光纤的传输，它将由于光纤的损耗而衰减。为了保持信号的强度，需要周期性地在光纤中注入更多的泵浦光，以实现光信号的持续放大。
输出的放大光信号可以连接到其他光纤系统中，以实现长距离的光通信或光传感应用。
总的来说，光纤放大器通过将高功率的泵浦光与输入光信号耦合在一起，并通过受激辐射的过程将泵浦光的能量转移到输入
光信号上，实现对光信号的放大。这种放大器在光通信和光传感等领域具有广泛的应用。
光波导基础及其常用器
0
n
2
(
x
)
t
Ey
y
Ey
0
t
Hz
z
Ey
0
t
Hx
<8-1>
对称的平面波导－波动理论
Symmetry Planar Dielectric Slab Waveguide
消去Hx、Hz,得到Ey的波动方程
( z2 2 x2 2)Ey2 00n2(x)Ey
由于沿z轴具有平移对称性,可以假设
<8-2>变为 方程通解为
k1sinm
k1cosm
考虑两光线,它们相交于C点,而在C点相位差可以表示为,
m ( k 1 A m C ) k 1 A 'C 2 k 1 ( a y ) cm o m s
对称的平面波导－传播模
Symmetry Planar Dielectric Slab Waveguide
将波导条件代入上式得到,
考虑光波具有一定宽度入射到芯层,那么考虑自身的干涉,也可以得到波 导条件
作业：利用双光线模型考虑光波具有宽度时,如何得到波导条件？
对称的平面波导－传播模
Symmetry Planar Dielectric Slab Waveguide
2.传播模的横向分布
对于满足波导条件的入射角 m,可以将波矢分解为沿波导方向和垂直于 波导方向的传播常数, 和 .
第5章-光波导耦合理论与耦合器
2k ka Ca kb Cb
（5.1-14)
k 又称位相失配因子。模式耦合导致的光波能量转移， k，即位相匹配时才能实现。假设在 0 只有在 z 0处，只有波导b存在单模光传播，微扰发生在 z 0 区，即
Eb 0 Eb0 ,
Ea 0 0
Ea z sin Kz
Eb z cos Kz
（5.1-22) （5.1-23)
由式（5.1-21)知，相应的耦合长度为
Lc 2K
（5.1-24)
长春理工大学
第5章 光波导耦合理论与耦合器
图5.1表示两个同方向耦合模之间的功率交换。图5.1a) 为相位匹配情况( k 0 )，功率完全交换，图5.1b)为相 位失配情况( k K )，不能实现完全交换。
2
长春理工大学
第5章 光波导耦合理论与耦合器
相反方向耦合时两个导模的功率分布如图5.2a)所示。 由图可以看出，表达式(5.1-31)和(5.1-32)中的sinh(X) 和cosh(X)函数中的因子X[X=K(z-L)]足够大时，耦合 区的入射波能量接近于呈e指数下降，即入射波的能 量被反射成为反向传输的反射波导波模式a。
（5.1-11） （5.1-12)
0 2 2 K ab, ba E E n x n ay by a ,b x dx 4
第三章光功率分配器
华南师大光电学院 黄旭光
第三章 光功率分配器
如将拉伸终止点选在D，就可改善两个中 心波长的工作带宽，获得所谓的“双窗 口宽带耦合器”。
技术关键是能够将C(或D)点调整到所需 要的功率分配比位置。从实质上讲，就 是要使两光纤之间实现不完全功率转换。 当两光纤传播常数b不相等时，光纤间的 最大耦合功率F2小于1。因此，只要适当 调整b1、b2的相对大小，就可做成任意 分光比的宽带耦合器。
华南师大光电学院 黄旭光
第三章 光功率分配器
(1)对两相同光纤中的一根预腐蚀或预拉伸， 造成传播常数偏差，再熔锥成宽带耦合 器。优点是，光纤容易获得，传播常数 偏差调整方便。缺点是工序较繁琐，预 处理后的光纤机械性能变差，制作效率 较低。
(2)采用结构参数存在差异的商用光纤(外 径相同，纤芯直径有差异)。优缺点与上 法正相反，但对于分光比较为固定的情 况(市场需求大的1:1器件)，采用该法很 有优势。
华南师大光电学院 黄旭光
第三章 光功率分配器
八十年代初开始用光纤熔融拉锥法。
将两根(或多根)除去涂覆层的光纤以一定 的方式靠拢，在高温加热下熔融，同时向 两侧拉伸，最终在加热区形成双锥体形式 的耦合波导结构。
毕业设计纳米光波导光栅耦合器
1 引言1．1 研究背景当今社会与信息网络之间形成了巨大的相互作用。在过去几十年中，以电子学为基础的计算机技术和通信网络技术极大地促进了社会经济、政治、教育、文化、军事等的发展。在高度信息化来临的今天，社会的发展又对信息网络提出了新的要求：信息量十分巨大、信息传递非常快捷、信息处理十分迅速。由于电路中信号的传播和开关速度的限制，使得电子技术在应对这些问题时表现出了其自身的局限性，而由于光信号具有处理速度高、不受电磁场干扰等优点，使得光子技术却在这些方面显得游刃有余。因此光子技术必将是继电子计算机技术之后的一个更具前景的研究方向，它将在未来的信息化社会中扮演极为重要的角色。如果说20 世纪是“电子时代”，那么21 世纪必将是“光子时代”。1969 年，美国贝尔实验室的Miller 博士首先提出了集成光学integrated optics的概念1。受到微电子集成电路技术的启迪和促进，197
2 年，Somekh 和Yariv 博士提出在同一个半导体衬底上同时集成光学器件和电子器件的构想2。自此之后，集成光学在理论和实运用方面都取得了长足的发展。国内有学者把光子学看成是一门与电子学平行的学科，并把光子学的发展与电子学的发展作类比，将其分为真空光子学、固体光子学和微光子学3。其中，光泵浦的固体激光器和气体激光器等属于真空光子学的范畴；半导体激光器属于固体光子学的范畴；集成光学则属于微光子学的范畴。集成光学是集电子学、微电子学、光学、光电子学、通讯、薄膜技术等为一体的新型学科，是当今光学和光电子学领域的发展前沿之一。它主要研究集成在一个平面衬底上的光学器件和混合光学-电子学系统的理论、技术与应用，是光学发展的必由之路和高级阶段。与电子时代的发展目标是“集成电路”一样，光子时代的最终发展目标必将是“集成光路”。上世纪六十年代初，激光的发展为光的传输和信息的处理提供了稳定的相干光源，使通过光束加载信号进行传输和处理成为可能。但是光学系统的重要光学元件，比如透镜、棱镜、反射镜、电光调制器和探测器等均需要装备在边长达到数米的实验台上，而且还必须安置在防震底台上。这些离散的光学元件系统由于体积和重量过大、稳定性差以及光束的校准困难等原因，已不能适应光电子技术发展的需要。将光学元件形成在一个晶片衬底上，用衬底内部或表面上形成的光波导连接起来，采用类似于半导体集成电路的方法，把光学元件以薄膜形式集成在同一衬底上的集成光路，是解决原有光学系统小型化和提高整体性能问题的重要途径。这样的集成光路器件具有体积小、性能稳定可靠、效率高、功耗低，使用方便等优点4-5。目前，以硅基光子学为基础的集成光路的发展已经初具规模，并在光通信及光信息处理方面显示出电子学无法比拟的优越性，比如尺寸更小，重量更轻，功耗更小，批量制备成本更低，可靠性更高等。同时由于光和物质的多种相互作用，还可在集成光路的构成中，利用诸如光电效应，声光效应，磁光效应，热光效应等多种物理效应，实现新型的功能器件6。下表列出了集成光路和集成电路的比较：表 1.1 集成光路与集成电路的比较集成光路集成电路1基本作用光波导中的光传输；光与电子、衬底表面的电子传输与控制晶格的相互作用2基本元器件光波导、半导体激光器、探测器晶体管、电阻、电容等等3元器件尺寸厚度波长量级，纳米量级数十纳米至微米4元器件尺寸长度数微米至数毫米，关键部分甚至数十纳米至微米纳米级5器件之间的连接光波导，难：需要精确的耦合对电气布线，易：直接导体连准接6元器件可靠性目前还存在问题，通常还需要检通常没问题，只需要抽查测全部元器件7元器件制作工艺不成熟，目前仍在研发中成熟的工艺由
双通道定向波导耦合器 耦合系数
双通道定向波导耦合器耦合系数下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。文档下载后可定制修改，请根据实际需要进行调整和使用，谢谢！本店铺为大家提供各种类型的实用资料，如教育随笔、日记赏析、句子摘抄、古诗大全、经典美文、话题作文、工作总结、词语解析、文案摘录、其他资料等等，想了解不同资料格式和写法，敬请关注！
Download tips: This document is carefully compiled by this editor. I hope that after you download it, it can help you solve practical problems. The document can be customized and modified after downloading, please adjust and use it according to actual needs, thank you! In addition, this shop provides you with various types of practical materials, such as educational essays, diary appreciation, sentence excerpts, ancient poems, classic articles, topic composition, work summary, word parsing, copy excerpts, other materials and so on, want to know different data formats and writing methods, please pay attention!
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
教师：宋军
光功分器
思考：空间光学如何实现光的分束
预思考：我们学过的知识里哪用过分束器？
什么原理？
思考：集成光电子技术里可以用于 功分器的原理
Y分支
星型耦合
多模干涉
定向耦合
思考：如何将光纤中的光耦合入波 导？
球透镜耦合结构
自聚焦透镜耦合
思考：能量耦合的初略计算
哪个模式能量多？
0.9070 附加耗：EL 10lg (dB) 0.4239 dB 1
0. 244 0. 244 0. 2095 0. 2095 分束比： ： ： ： 0. 9070 0. 9070 0. 9070 0. 9070 =26.9%： 26.9%： 23.1%： 23.1%
思考:如何制作一个1:2的耦合器？
思考：哪端光强 更大，为什么？
下端折 射率差 0.01
思考：继 续增大两 端折射率 差会有什 么现象
左端折 射率差 0.1
右端折 射率差 0.01
用Rsoft来尝 试验证一下
下端折 射率差 0.01
从量子力学的角度来看平板波导对光的束缚
Helmholtz equation: Schrödinger equation:
3dB direction coupler
思考：这 个器件是 否与波长 有关？为 什么？
1550 nm
1310 nm
思考：这有什么用？
思考：定向耦合器是否可逆？
0.5W 0.5W 0.5W 0.5W
?
1W
光纤定向耦合器
思考：能否想出更简单的结构用波 导实现3dB定向耦合器？
现在让我们一起基于Rsoft软件来设计这个结构
宽的一端和 窄的一端哪 个走的能量 多？ 能否用此结构，利 用分支1:2的宽度差 实现1:2分束比，为 什么？
可以通过改 变两分支宽 度比来改变 分光比，但 并不是成比 例的
使用这样 的渐变结 构是否可 行？
如果两端口尺寸完全一样折射率不 同会如何？
左端折 射率差 0.011 右端折 射率差 0.01
思考：这个器件是否可逆？
多模干涉耦合器
自映像现象
• 思考：如何才能成像？ • 不用透镜能成像的手段有哪些？
物理光学：泰伯效应
这里的多模干涉也是一种不用透 镜的成像现象
思考：如何让多模干涉后的像更清 晰？
从干涉的基本原理 思考
思考：多模干涉现象是否与波长有 关？ 让我们一起用Rsoft软件来验证， 根据现象来思考原因
E1 E2
高斯光
高斯光耦合进入单模平板波导后 怎么传输？有多少能耦合进去？
如果这个波导有 两个模式呢？
思考：两根光纤靠得非常近是否有 损耗？
只间隔10微米
光耦合器的基本参数
1. 附加损耗
附加损耗定义为所有输出端口的光功率总和相 对于全部输入光功率的减小值。该值以分贝 (dB)表示的数学表达式为
Pouti I .Li 10lg (dB) Pin
其中：ILi是第i个输出端口的插入损耗；Pouti是 第i个输出端口测到的光功率值；Pin 是输入端 的光功率值。
什么是3dB耦合器？
3. 分光比
分光比(Coupling Ratio，CR)是光耦合器所 特有的技术术语，它定义为耦合器各输出端 口的输出功率相对输出总功率的百分比，在 具体应用中常用数学表达式表示为
[ k n ]U ( x ) 0
2 x 2 0 2 2
[
1 2 x V E ] ( x ) 0 2m
V
x
nclad ncore
nclad
nclad ncore n
?
V0
E3 E2 E1
Vwell
x
• 离散的传播常数值 • 波导越宽折射率差越大，可容纳的模 数就越多
1-d potential well (particle in a well) • 离散能级 (能态) • 势阱越深将支持更多的能级
思考：如何设计一个分光比可调的Y 分支功分器？
思考：可 调分光可 以有什么 应用？
思考:如何制作一个1:2的耦合器？
拍长
π/kβ
Optical power
Propagation distance
Pouti C.R 100% Pouti
i
例如对于标准X形耦合器，1∶1或50∶50代 表了同样的分光比，即输出为均分的器件。
一起设计Y分支耦合器
最终四束光功率分别为0.244、0.244、 0.2095、0.2095
分光比和附加损耗
• 最终四束光功率分别为0.244、0.244、0.2095、 0.2095 • 输出总功率为0.9070
EL 10lg
P
i
outi
Pin
(dB)
式中：Pouti为第i个输出口的输出功率；Pin为输 入光功率。
思考：对除星型耦合器外其他三种， 附加损耗的主要来源
Y分支
星型耦合
多模干涉
定向耦合
2. 插入损耗
插入损耗定义为指定输出端口的光功率相对全 部输入光功率的减少值。该值通常以分贝(dB) 表示，数学表达式为
1550 nm
1310 nm
马赫泽德干涉仪
思考：如何用集成光电子元件实现马 赫泽德干涉仪的结构？
使用两个 任意结构 的3dB耦 合器连接 都可以构 成马赫泽 德干涉仪
发挥你的想象 力，看这个结 构可以百度文库来干 什么？
让我们一起实践使用Rsoft软件来设计一个光学 传感器
总结
• 了解耦合器的原理、性能评价指标 和常用结构 • 能够灵活设计耦合器，并解释相关 现象 • 能理解耦合器的各种应用