s_光波导_耦合器
光纤耦合器导光性能与结构参数关系
光纤耦合器导光性能与结构参数关系一、光纤耦合器技术概述光纤耦合器是一种将光信号在两根或多根光纤之间进行分配的无源光器件，广泛应用于光纤通信、光纤传感、光纤网络等领域。
其导光性能是衡量耦合器性能的关键指标之一，直接影响到信号传输的质量和效率。
光纤耦合器的导光性能与其结构参数紧密相关，本文将探讨这种关系，分析其重要性、影响因素以及优化方法。
1.1 光纤耦合器的工作原理光纤耦合器的工作原理基于光的干涉原理，通过特定的结构设计，实现光信号在不同光纤间的耦合与分配。
耦合器内部通常包含多个光纤通道，光信号在这些通道中传播时，会因为干涉、反射、折射等现象而发生能量的重新分配。
1.2 光纤耦合器的类型根据耦合方式和应用需求，光纤耦合器可分为多种类型，包括但不限于：- 1xN耦合器：将一个输入信号分配到N个输出端口。
- 2x2耦合器：将两个输入信号进行耦合，形成两个输出信号。
- 星型耦合器：实现多点之间的光信号分配。
- 波长选择性耦合器：根据光信号的波长进行选择性耦合。
1.3 光纤耦合器的应用场景光纤耦合器在多个领域有着广泛的应用，主要包括：- 光纤通信网络的信号分配与放大。
- 光纤传感系统中的信号耦合与处理。
- 光纤局域网(LAN)和城域网(MAN)中的信号路由。
- 光纤医疗设备中的信号传输与处理。
二、光纤耦合器导光性能的影响因素光纤耦合器的导光性能受多种因素影响，这些因素决定了耦合器在实际应用中的性能表现。
2.1 光纤耦合器的结构设计光纤耦合器的结构设计是影响导光性能的关键因素之一。
耦合器的结构包括光纤的排列方式、耦合区域的尺寸、光纤间的间距等。
这些参数需要根据应用需求进行精确设计，以实现最佳的耦合效果。
2.2 光纤材料与特性光纤材料的类型和特性也会影响耦合器的导光性能。
例如，单模光纤和多模光纤在导光性能上存在差异，需要根据信号传输的距离和带宽要求选择合适的光纤类型。
2.3 耦合器的制造工艺光纤耦合器的制造工艺直接影响其结构参数的准确性和一致性。
光波导理论与技术
激光雷达系统中的应用
总结词
光波导在激光雷达系统中发挥了重要作用，能够实现 高精度、高分辨率的测量和成像。
详细描述
激光雷达系统利用光波导作为传输介质，将激光雷达 发射出的光信号传输到目标物体上，并收集目标物体 反射回来的光信号。通过测量光信号的往返时间和角 度信息，可以实现对目标物体的距离、速度、形状和 表面特征等的测量和成像。光波导的高灵敏度和低损 耗特性使得激光雷达系统具有高精度、高分辨率和低 噪声等优点，在遥感测量、无人驾驶、机器人等领域 得到广泛应用。
光波导技术面临的挑战
制造工艺限制
目前，光波导器件的制造工艺仍 受限于材料和加工技术的限制， 难以实现更精细的结构和更高的
性能。
耦合效率问题
光波导器件之间的耦合效率是影响 光子集成回路性能的关键因素，如 何实现高效的光波导耦合仍是一个 挑战。
稳定性问题
光波导器件在温度、湿度等环境因 素下的稳定性问题仍需进一步研究 和改善。
开关分类
光波导开关可以分为电光开关、磁光开关和热光开关等。其中，电光开关是最常用的一种，其利用电场 改变光波导的折射率，实现对光信号的通断进行控制。
光波导耦合器
耦合器概述
光波导耦合器是一种利用光波导 结构实现光信号耦合的器件。通 过将两个或多个光波导连接在一 起，可以实现光信号在不同波导 之间的传输和能量转移。
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。
光子学技术在微纳光子学与光子芯片领域的应用原理与器件设计
光子学技术在微纳光子学与光子芯片领域的应用原理与器件设计近几十年来，光子学技术的快速发展为微纳光子学与光子芯片领域带来了巨大的变革和进步。
光子学技术以光子作为信息传输媒介，通过光的特性来实现高速、大容量、低能耗的信息处理和传输，成为解决当前电子技术瓶颈的重要选择。
在微纳光子学与光子芯片领域，光子学技术的应用原理与器件设计起到了关键作用。
光子学技术的基本原理是利用光的波粒二象性来实现信息处理和传输。
在微纳光子学领域，光子会与微纳尺度的光学结构（如光波导器件和微腔）相互作用，从而实现光的控制与调制。
这种控制与调制的基本机理涉及到材料的非线性光学特性、光波导的模式耦合、微腔的共振效应等。
通过对这些基本机理的理解，研究人员可以设计出各种各样的微纳光子学器件。
光波导器件是微纳光子学与光子芯片领域中最重要的器件之一。
光波导器件是利用光的全反射效应，在光学材料中制作出特定的光导道结构，实现光的传输和转换。
光波导器件主要包括波导、耦合器、分束器等。
波导是将光引导在光学材料中的光导道，可以实现光信号的传输。
耦合器用于将光的能量从一个波导传输到另一个波导。
分束器用于将一个入射光信号分成两个或多个出射光信号。
这些器件的设计需要考虑到波导结构的材料特性、波导的传输特性、光的模式耦合效应等多个因素，以实现高效率、低损耗的光的传输和转换。
微腔是另一个微纳光子学与光子芯片领域中重要的光学器件。
微腔是利用光在特定尺寸的圆形或者方形腔体中的共振效应来实现光的定向传输和调制的器件。
微腔可以根据腔体的尺寸和材料的选择来调整光的共振频率，实现对特定波长光的选择性传输。
微腔还可以通过适当的结构设计，实现光的耦合和分离，从而实现光信号的调制和控制。
微腔的设计需要考虑到腔体的材料特性、腔的尺寸和形状、腔的耦合效率等方面的因素。
在微纳光子学与光子芯片领域，光子学技术的应用不仅局限于光波导器件和微腔，还包括其他一系列器件和技术。
例如，光子晶体可以通过周期性的介质折射率分布，实现对光的频谱选择和调制。
光纤耦合器
光纤耦合器光纤耦合器（Coupler）又称分歧器（Splitter），是将光讯号从一条光纤中分至多条光纤中的元件，属於光被动元件领域，在电信网路、有线电视网路、用户回路系统、区域网路中都会应用到，与光纤连接器分列被动元件中使用最大项的（根据ElectroniCat资料，两者市场金额在2003年约达25亿美元）。
光纤耦合器可分标准耦合器（双分支，单位1×2，亦即将光讯号分成两个功率）、星状／树状耦合器、以及波长多工器（WDM，若波长属高密度分出，即波长间距窄，则属於DWDM），制作方式则有烧结（Fuse）、微光学式（Micro Optics）、光波导式（Wave Guide）三种，而以烧结式方法生产占多数（约有90％）。
烧结方式的制作法，是将两条光纤并在一起烧融拉伸，使核芯聚合一起，以达光耦合作用，而其中最重要的生产设备是融烧机，也是其中的重要步骤，虽然重要步骤部份可由机器代工，但烧结之後，仍须人工作检测封装，因此人工成本约占10～15％左右，再者采用人工检测封装须保品质的一致性，这也是量产时所必须克服的，但技术困难度不若 DWDM module及光主动元件高，因此初期想进入光纤产业的厂商，大部分会从光耦合器切入，毛利则在20～30％。
由於进入门槛较低，国内也有一些超低价的标准型光耦合器（1×2），售价甚至在14美元以下，但品质仍待改进。
目前台湾投入光耦合器的业者包括光炬、波若威、台精、光腾、超越光、伟电、华隆、百讯、上诠等，大陆投入的企业有上海上诠、深圳中和光学有限公司、武汉邮电科学研究院、上海光城邮电通信设备公司、上海天脉光纤通讯科技有限公司、天津新光通信有限公司、深圳光波公司、柏业公司等，而国外业者则有JDS、E Tek、Oplink、Gould等，已有直接在大陆设厂生产耦合器通信系统中光开关的现状及发展前景2002-12-04 14:15华中科技大学光电子工程系杨俊阮玉摘要光开关是较为重要的光无源器件，在光网络系统中可对光信号进行通断和切换。
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 betweenthe waveguides and the refractive index of the material, allowing for precise control over the coupling ratio.最常见的光学耦合器之一是定向耦合器，它由两个相距很近的平行波导组成。
光耦合器的工作原理
光耦合器的工作原理
光耦合器是一种能够将光信号进行耦合和分离的设备。
它主要由光波导结构和耦合区域组成。
在光耦合器中，输入光信号通过光波导引导到耦合区域。
耦合区域通常包含两个光波导，分别位于上下两个平行的平面上。
这两个光波导之间存在一定的距离，这样就形成了耦合空间。
当光信号传输到耦合区域时，它们会以某种方式进入耦合空间，并在其中发生耦合作用。
具体来说，光信号会以一定的模式和相位进入耦合空间，并与另一个光波导中的光信号发生相互作用。
在耦合空间中，由于光信号的干涉作用，会出现一定的模式变化。
这种模式变化最终导致了光信号的耦合效果。
如果两个光波导之间的距离合适，并且输入光信号的特征与耦合区域的设计匹配，那么光信号会以较高的效率从一个光波导耦合到另一个光波导中。
除了将光信号从一个光波导耦合到另一个光波导中，光耦合器还可以将光信号从一个波导输出或输入到其他器件中，如光纤或光探测器等。
这种情况下，耦合区域的设计和工作模式会有所不同，但基本的工作原理仍然是通过光信号的耦合作用实现。
总之，光耦合器通过光波导的引导和耦合区域的设计，实现了光信号的耦合和分离。
它在光通信和光器件应用中具有广泛的应用前景。
光学材料中的光波导性能分析与设计
光学材料中的光波导性能分析与设计光波导是一种能够将光信号沿着特定路径传输的光学器件。
在现代通信和光电子领域中，光波导已经成为一种重要的技术，被广泛应用于光纤通信、光学传感、激光器和光电子集成电路等领域。
而光波导的性能分析与设计则是光波导技术的核心内容之一。
光波导的性能分析主要包括传输损耗、模式耦合、色散和非线性等方面的研究。
传输损耗是指光信号在光波导中传输过程中的能量损失，它直接影响到光波导的传输距离和信号质量。
模式耦合是指将光信号从一个波导传输到另一个波导的过程，它决定了光波导之间的耦合效率。
色散是指光信号在光波导中传播过程中的频率依赖性，它会导致光信号的失真和色散补偿的需求。
非线性是指光信号在光波导中传输过程中的非线性效应，如自相位调制和非线性色散等，它会影响到光波导的传输容量和信号质量。
在光波导的设计中，需要考虑到材料的折射率、波导结构的尺寸和形状、波导的模式和波长等因素。
首先，材料的折射率决定了光信号在波导中的传播速度和传输损耗。
常用的光波导材料有硅、氮化硅、聚合物和玻璃等。
其次，波导结构的尺寸和形状对光波导的性能有重要影响。
例如，波导的宽度和厚度会影响到波导的模式和色散特性。
此外，波导的形状也可以通过设计来实现特定的功能，如光分路器、耦合器和滤波器等。
最后，波导的模式和波长也是光波导设计中需要考虑的因素。
不同的模式和波长对应不同的应用需求，因此需要根据具体应用来设计合适的光波导。
光波导的性能分析和设计可以通过理论模拟和实验验证相结合的方法来进行。
理论模拟可以通过数值计算和仿真来研究光波导的传输特性和耦合效率。
常用的理论模拟方法有有限差分法、有限元法和光束传输法等。
实验验证可以通过制备光波导样品并进行光学测试来验证理论模拟的结果。
常用的实验方法有透射光谱、近场光学显微镜和自相位调制等。
通过理论模拟和实验验证相结合的方法，可以更加准确地分析和设计光波导的性能。
总之，光波导的性能分析与设计是光波导技术的重要内容。
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.21997年4月Semico nductor Optoelectro nicsA 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:TN814.6TN622Waveguide grating photocouplerY 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.Keywords:Optical Waveguide,Waveguide Grating ,Photocoupler1 概述波导光栅器件在集成光路中有许多应用[1~3],可作偏转器、模式转换器、波分复用器、滤波器、启偏器、耦合器等。
光耦合器的原理及应用
光耦合器的原理及应用光耦合器是一种能够将光信号从一个波导导向另一个波导的器件。
它是由两个相互靠近的光导层组成，中间被一个非光导层隔开。
光耦合器的原理基于光信号在两个光导层之间的耦合效应。
当光线通过一个光导层时，由于折射率不匹配，一部分光会耦合到另一个光导层中。
1.直接耦合：直接耦合是通过将两个光波导相互靠拢而实现的。
当两个光波导的间距逐渐减小时，光波导之间的耦合效应增强，光信号会从一个光波导传输到另一个光波导。
2.光子耦合：光子耦合是通过一个中间的非光导层实现的。
当光信号通过第一个光波导时，它会耦合到非光导层中，并通过非光导层传输到第二个光波导中。
光子耦合可以通过合理设计非光导层的折射率和厚度来控制。
3.表面插入耦合：表面插入耦合是通过在光波导表面引入一个插入层来实现的。
插入层是一种厚度较大的非光导层，光信号会在插入层和光波导之间反射和散射，从而实现光信号的耦合。
1.光通信：光耦合器可以用于光纤通信系统中，将光信号从一个光纤传输到另一个光纤，实现光信号的分配和复用。
2.光传感：光传感是一种利用光信号检测和测量环境中的物理量或化学量的技术。
光耦合器可以用于将传感器中的光信号从传感器波导耦合到光纤中进行传输，以实现远距离的测量和监测。
3.光路复用：光耦合器可以用于光路复用技术中，将多个光信号从不同的光波导复用到同一个光波导中，从而实现多路复用和集成。
4.光电子集成电路：光电子集成电路是一种将光学器件和电子器件集成在一起的技术。
光耦合器可以用于将光学器件和电子器件连接起来，实现光电子信号的转换和处理。
总结来说，光耦合器是一种非常重要的光学器件，它能够实现光信号的传输、耦合和分配，广泛应用于光通信、光传感、光路复用和光电子集成电路等领域。
随着光纤通信和光学器件技术的不断发展，光耦合器在各个领域中的应用也会越来越广泛。
纤维集成光学的组成部分
纤维集成光学的组成部分纤维集成光学（Integrated Optics）是一种利用光导纤维和集成光学元件来传输和处理光信号的技术。
其组成部分包括光波导、光耦合器、光调制器、光放大器和光检测器等。
本文将逐一介绍这些组成部分。
光波导（Optical Waveguide）是纤维集成光学系统中最基本的组件之一。
它是一种能够导引光信号传输的结构，通常由介质的折射率差异所构成。
光波导可以分为直线型和弯曲型，用于引导光信号沿着特定的路径传输。
在纤维集成光学系统中，光波导起着承载和传输光信号的重要作用。
光耦合器（Optical Coupler）是用于将光信号从一个光波导传输到另一个光波导的元件。
它可以实现不同波导之间的光信号耦合和分离，通常包括耦合器件、分束器和合束器等。
光耦合器的设计和制作对于纤维集成光学系统的性能和效率具有重要影响。
光调制器（Optical Modulator）是用于调制光信号的设备，可以改变光信号的强度、相位或频率。
光调制器通常采用电光效应或声光效应来实现光信号的调制。
在纤维集成光学系统中，光调制器可以用于光通信、光传感和光计算等应用领域。
光放大器（Optical Amplifier）是用于增强光信号强度的器件，可以在光信号传输过程中对信号进行放大。
光放大器通常采用掺铒光纤、半导体激光器或光纤放大器等技术来实现。
在纤维集成光学系统中，光放大器可以提高光信号的传输距离和质量。
光检测器（Optical Detector）是用于检测和接收光信号的设备，可以将光信号转换为电信号进行处理和分析。
光检测器通常采用光电二极管、光电探测器或光电倍增管等技术来实现。
在纤维集成光学系统中，光检测器可以用于光通信、光传感和光成像等应用领域。
总的来说，纤维集成光学的组成部分包括光波导、光耦合器、光调制器、光放大器和光检测器等。
这些组件共同构成了一个完整的光学系统，实现了光信号的传输、处理和检测。
纤维集成光学技术在通信、传感、计算和成像等领域具有广泛的应用前景，将为人类社会带来更多便利和可能性。
光波导基础及其常用器
在C点上两光线的电场为
E 1(y,z,t)E 0co ts (m zm y m ) E 2(y,z,t)E 0co ts (m zm y)
那么在C点上两光线干涉所形成的电场为
E (y ,z ,t) 2 E 0 co m y s 1 2 ( m )co t sm z ()
对应一个m值的传播模的电场可以写为,
E (y ,z ,t) 2 E m (y )co t sm z ) (
可以看到传播模横向模场分布不随光波的传播而改变,它是在横向形成的驻波
对称的平面波导－传播模
Symmetry Planar Dielectric Slab Waveguide
m=0,1,2传播模的横向分布
对称的平面波导－传播模
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,
Ey E(x)exip z)(
2 [ x2
k02n2(x)2]Ey
0
k0 200
E y A ei x k 0 2 n p 2 (2 x ) B ex ik 0 p 2 n 2 (2 x )
对于应波导的三个折射率不同的区域,方程的解为
<8-2>
<8-3> <8-4> <8-5>
Ey A 2e A 1e xix pk0 2 p n [1 2 2[ k 0 22 nx2 2]x ] B2 B e 1exx i pp k [0 2n [21 2 k 0 2n 22 2 xx ]] ,x a , xaa
光通讯行业专业英语词汇
读书破万卷下笔如有神__________________________________光通讯行业专业英语词汇光泵浦器件PumpLasers光标Cursor光波长转换模块WavelengthConversionModules光波导分波器opticalwaveguiderouter光层交叉连接OpticalLayerCrossConnectOLXC光传输Opticaltransmission光传输监控OpticalTransmissionSupervision光传输监控OpticalTransmissionSupervision光传输网OpticalTransmissionNetworkOTN光传输系统控制OpticalTransmissionSystemControl 光导纤维束FiberOpticscluster光导纤维束OpticalFiberCluster光电处理Opto-electronicprocess光电端机Optoelectricaltransceiver读书破万卷下笔如有神----------------------------------光电耦合器Photocouplers光电器件OptoelectronicDevices光电整机PhotoelectricIntegratedMachine光调制解调器OpticalModem光端机Opticaltransceiverln光多用表OpticalMultimeter 光发射单元OpticalTransmitUnitOlU光发射二级管LightEmittingDiodeLED 光发送二极管OpticalTransmittingLEDs 光发送模块OpitcalTransmitters 光发送器件OpticalTransmittingComponents 光放大器OpticalAmplifierOA 光分波单元OpticaldemultiplexingunitODU 光分波器OpticalDemultiplexerUnitODU 光分插复用器OpticalAdd/DropMultiplexerOADM读书破万卷下笔如有神_________________________________光分路器OpticalDivider光分配点OpticalDistributionPointODP 光分配节点OpticalDistributionNodeODN 光分配网络OpticalDistributionNetworkODN 光分支装置OpticalBranchingDeviceOBD 光复用器OpticalMultiplexer 光告警方式OpticalAlarmingMode 光隔离器Opticallsolator光功率差OpticalPowerDifferenee光功率计OpticalPowerMeter光合波板OpticalMultiplexerUnitOMU光交叉连接光互联OpticalCross—connectOXCu o o a)u u e l p _e o l d o affl 来」or ①a)p o o u d 幣w K g l f瑟. 吕w p① o e 七①l£lndu一-eoldo4ouole匸①PAOU①nb①」4p ①左lu」① d s ^^y 口 <«狽s」①>eosue匚不。
光波导耦合器的器件结构和工作原理
光波导耦合器的器件结构和工作原理
一、引言
光波导耦合器是一种用于将光信号从一个波导传输到另一个波导的器件。
它在光通信、光传感等领域有着广泛的应用。
本文将介绍光波导耦合器的器件结构和工作原理。
二、器件结构
光波导耦合器通常由两个波导组成，分别为输入波导和输出波导。
输入波导和输出波导之间通过一个耦合区相连，其中耦合区是由两个平行且距离很近的波导组成，它们之间存在一定的交叉。
在这个耦合区中，输入波导和输出波导的电磁场会发生相互作用，从而使得部分能量从输入波导转移到输出波导。
这样就实现了将光信号从一个波导传输到另一个波导。
三、工作原理
当入射光进入输入端口时，它会被输送到输入端口下方的耦合区域。
在这里，入射的电场会与耦合区内部的模式相互作用。
由于存在一定
程度的交叠，在这个过程中，部分能量会被传递到输出端口下方的输
出端口中。
具体来说，当入射光进入耦合区时，它会被分成两个模式：一个是传
输模式，另一个是耦合模式。
传输模式将沿着输入波导传输，而耦合
模式将沿着耦合区域传输，并且一部分能量将被转移到输出波导中。
为了实现高效的耦合，需要使得两个波导之间的距离非常接近。
此外，还需要进行一定的优化设计，例如通过调整波导的形状和尺寸等来优
化光场分布。
四、总结
光波导耦合器是一种重要的光学器件，在光通信、光传感等领域有着
广泛的应用。
它通过在两个波导之间设置耦合区来实现将光信号从一
个波导传输到另一个波导。
在实际应用中，需要对器件进行优化设计
以获得更好的性能。
03 光纤耦合器
-0.5
10
原理——平行光纤之间的耦合 光互易定理
当耦合器的参数相同时
(1)相同波长间的耦合总是会引入3dB(50%)损耗 (2)不可能利用光纤耦合器将两个光纤的相同波长光 信号功率耦合到同一根光纤之中！
11
原理——平行光纤之间的耦合 不同波长光信号的耦合(分波)
1.5
R1(z)=cos (K1z)
矩形波导简图
种类——平面波导型耦合器
光波导耦合器的基本单元有分支波导和定向耦合器，其基本结构 如图所示。将多个1×2分支波导、2×2定向耦合器级联可以构成树 形耦合器。图（a）所示为7个1×2分支波导级联构成的1×8树形耦 合器，图（b）所示为一个2×2定向耦合器与6个1×2分支波导级联 构成的2×8树形耦合器.
种类——微器件型耦合器
利用自聚焦透镜和分光片（光部分投射、部分反射）、滤 光片（一个波长的透射，其它波长的光反射）或光栅（不同波 长的光有不同的反射方向）等微光学器件可以构成T型耦合器、 定向耦合器和波分/解波分复用器。
微器件型耦合器 （a）T型耦合器； （b）定向耦合器； （c）滤光式解复用 器； （d）光栅式解复用 器
参数——分光比
分光比是光耦合器所特有的技术术语，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，它的数学表达式为：
种类——微器件型耦合器
用2×2的耦合器作为基本单元同样可以构成n×n星型耦合器。自 聚焦透镜在光无源器件中起着非常重要的作用，它是利用自聚 焦效应而制成的，自聚焦效应是这样描述的：不同入射角相应 的光纤，虽然经历的路程不同，但是最后都会聚焦在一点上。
种类——平面波导型耦合器
平面波导型耦合器是指利用平 面介质光波导工艺制作的一类 光耦和器件，其关键技术包括 波导结构的制作和器件与传输 线路的耦合。目前广泛采用的 制作介质光波导的方法主要是 在铌酸锂（LiNbO3）等衬底材 料上，以薄膜沉积、光刻、扩 散等工艺形成波导结构。
波导光学第二章 光波导耦合理论与耦合器
1
光耦合的介绍:
➢光耦合：使光信号从一个光学元 件进入到另一个光学元件
➢耦合器：实现光耦合的元器件统 称为耦合器，集成光学中常用的 耦合器有棱镜，光栅，楔面等。
平板波导模式分布-导模
Cladding
Core
qi
Substrate
导模的特点： • 包层的场成指数衰减。 • 传播常数取分立的值。 • 理论上没有损耗。 • 各个导模正交。
光波导的纵向非均匀性
光波导的纵向不均匀起因：制作不完善；使用时引入；人为引入
芯包分界面不均匀
芯子直径纵向变化 重力影响导致的光纤纵向受力不均，引 起几何尺寸和折射率分布不均匀
制作不完善 ∆纵向不均匀
使用时引入
人为引入：光纤光栅， 重要的光纤器件！
定向耦合器（Directional Coupler）
Input waveguideRin A
B Rout Output waveguide
Coupling region
1
3
D
s
2
4
A0
ZL
x axis
B0
y axis
z axis
波导中传输的导模在芯层外的倏逝场由于相互作用产生耦合，引起波导间模式功 率的相互转移。
8
模式耦合
同向耦合
模式耦合
导波模
应用实例：方向耦合器、Y分支、MZ
E(x, y) Em* (x, y)dxdy
2
功率耦合效率 m
Am 2
E(x, y) E*(x, y)dxdy
E(x, y) Em* (x, y)dxdy E(x, y) E*(x, y)dxdy
13
光波导边缘耦合器种类及特点
光波导边缘耦合器种类及特点光波导边缘耦合器是一种用于耦合光信号的器件，常用于光通信系统和光传感器中。
它可以将光信号从一个波导传输到另一个波导，实现波导之间的耦合。
光波导边缘耦合器种类较多，下面将介绍几种常见的光波导边缘耦合器及其特点。
1. 光纤光波导边缘耦合器：光纤光波导边缘耦合器是一种常见的光波导边缘耦合器。
它通过将光纤与波导接触，使光信号从光纤耦合到波导中。
光纤光波导边缘耦合器具有结构简单、易于制作和使用的特点。
它适用于单模和多模光纤的耦合，可以实现高效的光信号传输。
2. T型光波导边缘耦合器：T型光波导边缘耦合器是一种将两个波导结构通过T型接口连接的器件。
它的特点是耦合效率高，能够实现低损耗的光信号传输。
T型光波导边缘耦合器适用于中等功率的光信号耦合，可以满足光通信系统和光传感器等领域的需求。
3. Y型光波导边缘耦合器：Y型光波导边缘耦合器是一种将两个波导结构通过Y型接口连接的器件。
它的特点是耦合效率高，能够实现低损耗的光信号传输。
Y型光波导边缘耦合器适用于高功率的光信号耦合，可以实现大功率的光信号传输。
4. 纳米光波导边缘耦合器：纳米光波导边缘耦合器是一种利用纳米结构实现光信号耦合的器件。
它的特点是尺寸小、响应速度快、损耗低。
纳米光波导边缘耦合器适用于微型化的光学器件和集成光学芯片等应用，可以实现高密度的光信号传输。
5. 光栅光波导边缘耦合器：光栅光波导边缘耦合器是一种利用光栅结构实现光信号耦合的器件。
它的特点是具有宽带特性和可调谐性。
光栅光波导边缘耦合器适用于光谱分析和光学传感等领域的需求，可以实现高精度的光信号传输和控制。
总的来说，光波导边缘耦合器具有结构简单、精度高、损耗低等特点，可以实现高效的光信号耦合和传输。
不同类型的光波导边缘耦合器适用于不同的应用场景，可以满足不同的需求。
随着光通信和光传感技术的发展，光波导边缘耦合器将在更多的领域得到应用，并发挥重要的作用。
光波导耦合器
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思考:如何制作一个1:2的耦合器？
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？
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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
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使用这样 的渐变结 构是否可 行？
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如果两端口尺寸完全一样折射率不 同会如何？
输出总功率为0.9070
附 加 耗 ： E L 1 0 lg 0 .9 0 7 0 (d B ) 0 .4 2 3 9 d B 1
分束比： 0.244： 0.244： 0.2095： 0.2095 0.9070 0.9070 0.9070 0.9070
=26.9%： 26.9%： 23.1%： 23.1%
左端折 射率差 0.011
右端折 射率差 0.01
思考：哪端光强 更大，为什么？
下端折
射率差
0.01 .
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思考：继 续增大两 端折射率 差会有什 么现象
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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
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思考：如何设计一个分光比可调的Y 分支功分器？
哪个模式能量多？
高斯光
E1 E2
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？
7
思考：两根光纤靠得非常近是否有损耗？
只间隔10微米
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光耦合器的基本参数
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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？
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？
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？
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？
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
EL 10 lg
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。
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
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
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
Pouti I .Li 10 lg (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。
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 构可以用来干 什么？
让我们一起实践使用Rsoft软件来设计一个光学 传感器
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
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：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
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
0.9070 附加耗：EL 10 lg (dB) 0.4239 dB 1
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
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。
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