第七章 波导输入和输出耦合器

如果 t g  t L，最低阶导 模（m  0）的耦合效率 理论值可接近100%， 此时，耦合到高阶模 式的能量几乎为零。

10

横向耦合器
 上面讨论的耦合效率是假设激光器与波导完全对准时 的最佳值，实际上耦合效率对于x方向（波导层厚度 方向）的横向对准偏差是非常敏感的。  波导相对于激光器横向位移为 X 时，耦合效率按如下 规律减小

19

棱镜耦合器
 满足了上述的相位匹配条件，只能保证波导模式与棱 镜驻波模式之间可能发生耦合，但是具体的耦合效果 由耦合系数和耦合长度共同决定。  根据模式耦合理论（下一章会详细介绍）可知，当耦 合系数  和耦合长度 L 满足如下关系时，相位匹配的 模式之间才能发生完全的能量交换
L 
2

20

m cm

9

  tg   cos   2 2 2 m  1   nL  n g   2t L      64



nL n g



2

归一化因子

反射因子

1
2 g

tg

tL   t  波导的TE导模阶数 1  2 2  面积失配因子   m  1 t L    思考：为什么与奇数阶导模  交叠因子 不发生耦合？

光耦合原理
 光耦合器的基本性质是它的耦合效率和模式选择性。  耦合效率：光束总功率中被耦合进（或耦合出）波导 的百分比，也可以用分贝（dB）单位表示。 百分比表示： cm 分贝表示： cm
Pin / out  Pt

3

 Pt  10log   Pin / out

  1    10log      cm 

21

棱镜耦合器
 棱镜-波导耦合的光线模型
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等相位面

np

m
n3
n1
1' 1

m
l

l sin  m
2' 2

入射到棱镜底部1’、2’、3’ 点的光（相当于次波源）， 在波导层上表面对应的1、2、 3点分别激励起子波，这些 子波相干叠加后形成波导模 式。 x
y

3' 3

z

棱镜耦合器

23

 波导层上表面2点处的光波是由两部分光波相干叠加 而成： • 由棱镜底部2’点直接激励产生，称为直接波； • 由棱镜底部1’点在波导层上表面1点直接激励，然后 在波导层中沿锯齿形路径传播过来，称为间接波。

k0n3  k0n2   m  k0n1 导模条件：

图示直接聚焦照射的方法显然 无法实现与导模之间的耦合。

棱镜耦合器
 棱镜耦合器的工作原理如下图所示
输入棱镜耦合器

15

x
y

输出棱镜耦合器

np
n3
n1
n2

z

m

p
m0

0

m 1

1

• 用夹具将高折射率（ np  n1 ）棱镜压在平板波导上， 棱镜底部与波导层的表面之间有一很窄的空气间隔 （或折射率匹配液），构成棱镜-波导耦合系统。
 p  k0np sinm  m

18

• 调整光束入射角可以将能量耦合进不同阶数的波导模 式中。 • 对于输出棱镜耦合器，如果波导中存在多阶导模，各 阶模式在棱镜中的输出角也是不同的（对于平板波导， 将形成m线）。

单模平板光波导m线照片

四个导模的多模平板光波导m线照片

棱镜耦合器
 在棱镜-波导耦合系统中，入射光束在棱镜中发生全 反射，但是能通过倏逝波尾重叠而耦合能量，这样的 过程称为光学隧道效应，它与量子力学中的势垒贯穿 （隧道效应）相似。 思考一：如果 np  n3 ，会不会发生耦合？ 思考二：如果 n3  np  n1 ，会不会发生耦合？ 思考三：如果 np  n1 ，是不是一定会发生耦合？发生 耦合的条件是什么？

6

A x 为输入激光束的振幅分布， B  x 为第 m 阶导 其中， 模的振幅分布。

横向耦合器
 激光束的高斯分布与TE0模（基模）模场形状之间具 有相当好的匹配，所以端焦法特别适用于气体激光器 输出光束与波导基模之间的耦合（原则上讲，耦合效 率可以接近100%）。  为实现最佳耦合，光束直径一定要与波导厚度匹配， 并且要严格对准（由于对准误差，通常可达到的耦合 效率约为60%）。  端焦法很方便，实验室常常采用这种方法，但是在没 有光学平台的情况下要保持对准是非常困难的，这就 限制了端焦法的实际应用。
P 2X   cos   P0 t  L 
P0 :无横向位移（X  0）时的耦合功率
P

11

:有横向位移（X  0）时的耦合功率

上式假设 t g  t L 和 X   t L  t g  2 。

横向耦合器
t L  5.8 m 和 t g  2.0m 。  实例：

12

虚线：理论计算值 实线：实验测量数据

横向耦合器
 激光器与波导在z方向（光传播方向）之间的间距对 于耦合效率也是非常关键的，要实现最佳耦合，间距 需控制在波长量级的精度。
耦合效率的整体下 降趋势由衍射效应 引起。 曲线的振荡形状由 激光器和波导之间 F-P共振效应引起。 激光器和波导之间 用折射率匹配液可 消除振荡效应。

棱镜耦合器

25

 通常在棱镜耦合器中有大约近百个这样的锯齿，因此 相干加强作用能很快地在波导层中激发起足够强度的 波导模式  由于这个原因，相位匹配条件也叫做同步条件，用于 激发各种不同波导模式的棱镜入射角 m 称为同步角。

棱镜耦合器

26

 当棱镜耦合器用做输出耦合器时，不同阶数的模式会 以不同的角度输出，可以用做模式分析工具。  将棱镜耦合器作为输出耦合器沿波导的长度方向移动， 可以用于测量波导损耗，但是每次测量耦合功率时需 对棱镜施加相同的压力，使得间隙（即耦合效率）保 持不变。  由于半导体波导的折射率通常较大（3~4），很难找 到折射率满足要求的棱镜，所以很难用棱镜耦合，所 以棱镜耦合通常用于玻璃波导。  半导体激光器的发散角较大，因此不能用棱镜耦合器 件进行有效耦合。



m

等相位面

l

l

• 光栅方程: n3k0 sinm  n1k0 sinl  l 2

棱镜耦合器

24

 波导层上表面2点处直接波与间接波的相位差   等于 直接波由等相位面传播到2’点的相位（np k0l sinm）减 去间接波由1点传播到2点的相位（ m l ），即
  np k0l sinm   m l   m l   m l  0

结论：直接波与间接波同相，相干相涨叠加。

7

横向耦合器
 平行端接耦合是实现波导与半导体激光器（或波导） 之间耦合的有效方法。  波导层厚度可以制作成与半导体激光器的发光层厚度 相当，并且激光器的基模场分布与波导的基模场分布 相似，所以平行端接耦合能实现两者的高效耦合。

8

横向耦合器
 一个工作在TE0基模态的激光二极管与平板波导进行 耦合，TE模间的耦合效率可以表示为
y

5

z

波导既可以是平面型，也 可以是通道型。

横向耦合器
 在端焦法中，光束能量向已知波导模式的转移是通过 光束场和波导模场的匹配来完成的。  由入射光束的场分布与波导模场分布的重叠积分可以 计算出耦合效率。  以平板波导为例，耦合效率的计算式为
m cm *   A x B x dx             * *     A x A x dx B x B x dx                   2

 其中，为棱镜驻波模式与波导模式之间的耦合系数， n1 和 n3 有关，也与棱镜底 它与确定模场尾形状的 np 、 部和波导表面的间隙 s 有关;
L

是棱镜底部光束沿z方向的宽度。

棱镜耦合器
 在耦合长度 L 确定时，可以通过调节间隙的厚度 s 以 改变耦合系数  ，从而获得高的耦合效率。  完全耦合（100%耦合）条件是假定在光束的整个宽 度内，电场是均匀的，实际上对于高斯光束，最大耦 合效率约为80%。  即使是均匀光束，要想实现100%的耦合，光束的边 缘一定要恰好与棱镜的直角顶点相交： • 如果光束入射得偏右，则部分入射功率或被反射或直 接透射入波导，而不进入棱镜模式； • 如果光束入射得偏左，则部分已耦合入波导的功率将 会重新耦合回棱镜。
第七章 波导输入和输出耦合器

教 师：张旨遥 办公地点：光电楼321室 E-mail: zhangzhiyao@uestc.edu.cn

光耦合的概念
 “耦合”一词的含义是什么？ • 简单地说，耦合就是指两个物体之间存在直接关系， 相互影响。

2

 什么是光耦合？
• 通常是指两个或两个以上的光学元器件或光网络的输 入与输出之间存在紧密配合与相互影响，并通过相互 作用从一侧向另一侧传输能量的现象。  基于光耦合原理制作的各种光耦合器在集成光学中具 有重要的应用：波导输入和输出耦合器、光功率的分 配、滤波、偏振选择、调制、光开关等。

棱镜耦合器
输入棱镜耦合器

16

x
y

输出棱镜耦合器

np
n3
n1
n2

z

m

p
m0

0

m 1

1

• 在输入棱镜与空气隙交界面（n p  n3 面）上，光束发 生全反射，在棱镜中沿x方向形成驻波模式，类似于 波导模式，沿z方向以传播常数  p 传播。
 p  k0np sinm

棱镜耦合器
输入棱镜耦合器

28

光栅

n3 n1
n2

光栅耦合器
 波导层中的导模通过光栅区域时，激发起衍射场，导 模通过衍射光将能量传输到覆盖层，构成输出耦合；  反之，由覆盖层照射到光栅的激光束，也可以把能量 有效地耦合进波导层，激励起导模。

29

光栅

n3 n1
n2

光栅耦合器
 输入光栅耦合器工作原理
等相位面

30

m
n3
n1 n2

13

棱镜耦合器

14

 如何将光耦合进横截面没有露在外部但是表面露出来 的波导中去？  能否像下图一样，以某倾角将光聚焦在波导表面，实 现耦合？ 为了实现耦合，必须满足相位 匹配条件，即z向传播常数相 x m y z 等，也即要求： n
3

n1 n2

m

 m  k0n3 sinm

通常情况下
n1  n2  n3

棱镜耦合器
观察屏
m线 耦合棱镜

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透镜
耦合棱镜

He-Ne 激光器

准直器

偏振器

单模平板光波导m线照片

四个导模的多模平板光波导m线照片

光栅耦合器
 光栅耦合器可以将直接照射波导层的光有效地耦合入 波导模式中去。  光栅耦合器具有平面结构，适于批量生产，可使元件 小型化，便于集成化，非常具有实用价值。
m

m cm

 Pt  10log  m  Pin / out

  1    10log  m    cm 

Pin / out 为耦合进（出）第 m 阶模式的功率； Pt 为耦 其中， 合前光束的总功率。

 对于多模耦合器，通常用总值表示耦合效率。  耦合效率非常强烈地依赖于光束场和波导模场的匹配 程度。

Pin / out 为耦合进（出）波导的功率； Pt 为耦合前光 其中， 束的总功率。

 模式选择性：将光功率耦合进特定波导模式，或将特 定波导模式的光功率耦合出波导。

光耦合原理
 对于一个选模耦合器，可以分别确定每个模式的耦合 效率。
m 百分比表示： cm m Pin  / out Pt

4

分贝表示：

横向耦合器
 横向耦合器：光束直接聚焦在波导外露截面上。 • 对自由空间（空气）中的光束来说，可以使用一个透 镜来完成这种聚焦。 • 两块波导之间的横向耦合，可以通过将它们经过抛光 或解理了的横截面对接在一起来实现。  激光束与波导横向耦合最简单的方法是直接聚焦（或 称为端焦法）。
x
n3 n1
n2

 m  cos    2 
2

m  0,1, 2         

上式假设所有波导模式都受到很好限制，并且波导的 波导层厚度小于激光器的发射层厚度，即 t g  t L 。

横向耦合器
 下图为GaAs激光二极管与玻璃衬底Ta2O5波导的耦合 效率与波导厚度的关系曲线。

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x
y

输出棱镜耦合器

np
n3
n1
n2

z

m

p
m0

0

m 1

1

• 如果棱镜底部与波导层表面之间的缝隙足够小，以至 于棱镜中驻波模式的倏逝波尾与波导中导模的倏逝波 尾部分重叠，并且满足  p   m ，就能发生棱镜驻波模 式与第 m 阶波导模式的能量相干耦合。

棱镜耦合器
 耦合发生时的相位匹配条件：