第三章 光波导耦合器
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。
《波导定向耦合器》课件
应用场景二：卫星通信
在卫星通信中，波导定向耦合器主要用于信号 的传输、分路和合成，实现卫星信号的定向耦
合和功率分配。
波导定向耦合器在卫星通信中还可以用于天线阵列的 信号处理，实现天线的相位和幅度控制。
卫星通信是波导定向耦合器的另一个重要应用 领域。
它能够提高卫星通信系统的信号传输效率和稳定 性，增强卫星通信系统的抗干扰能力。
结构分析
波导定向耦合器的结构通常由输入波导、主波导、副波导和输出波导组成。输入信号通过输入波导进入主波导，并在主波导 上产生多个谐振模。通过适当的结构设计，使得其中一个谐振模被强烈激励，而其他谐振模被抑制，从而实现信号的定向传 输。副波导的作用是提取被强烈激励的谐振模信号，并将其传输到输出波导中。
在选择使用哪种类型的波导定向耦合器时， 需要根据实际需求进行综合考虑。例如，对 于需要高集成度、小体积的应用场景，E面 波导定向耦合器是较好的选择；对于需要简 单结构、高可靠性的应用场景，H面波导定 向耦合器是较好的选择；对于需要便携式、 低成本的应用场景，微型波导定向耦合器是
较好的选择。
波导定向耦合器的
波导定向耦合器的
04
制造工艺
制造材料
金属材料
常用的金属材料包括铜、铝、不锈钢等，它们具有良好的导电性和机械强度， 适合用于制造波导定向耦合器。
绝缘材料
绝缘材料用于制造波导定向耦合器的介质层，常用的有聚乙烯、聚四氟乙烯等 ，它们具有良好的绝缘性能和耐高温性能。
制造流程
设计和绘图
01
根据设计要求，绘制波导定向耦合器的图纸，确定各部分的尺
制作样品并测试
根据优化后的设计参数，制作 波导定向耦合器样品，并进行 性能测试，验证设计效果。
设计参数
光波导模组构成
光波导模组构成
光波导模组通常由以下几个部分构成：
1. 光源：光波导模组需要一个光源来产生光线。
常见的光源包括LED （发光二极管）、LD（激光二极管）等。
2. 光波导：光波导是光波导模组的核心部分，用于引导光线传播。
它通常是由具有高折射率的材料制成，可以将光线限制在波导内部，并实现全内反射，从而减少光的泄漏和损耗。
3. 耦合器：耦合器用于将光源发出的光线高效地耦合进入光波导中。
它可以是直接将光源集成在光波导上的结构，也可以是通过透镜或棱镜等光学元件将光线导入光波导的结构。
4. 输出器：输出器用于将光波导中的光线导出，并将其聚焦或整形为所需的光斑形状和大小。
输出器可以是透镜、微透镜阵列、光栅等光学元件。
5. 控制器和驱动器：光波导模组可能需要控制器和驱动器来控制光源的亮度、调制频率等参数，以及实现与其他设备的通信和同步。
6. 封装和连接器：为了保护光波导模组并方便与其他系统连接，通常会使用封装材料将模组封装起来，并提供适当的连接器或接口。
这只是光波导模组的一般构成，具体的结构和组件可能会根据不同的应用和要求而有所变化。
超高速宽带通信中的光纤耦合器研究与设计
超高速宽带通信中的光纤耦合器研究与设计第一章引言超高速宽带通信已经成为了信息通信领域中的重要技术。
光纤通信的高带宽、低损耗、高信噪比等特性，使得其在超高速宽带通信技术中发挥着关键作用。
光纤耦合器则是实现光纤通信的重要组件之一。
本文将重点研究和探讨超高速宽带通信中的光纤耦合器，在此基础上进行设计和改进。
第二章光纤耦合器的原理光纤耦合器通常由多根光纤通过耦合器件的耦合作用而得到。
根据不同的耦合方式，常见的光纤耦合器有两个主要类型：直连式光纤耦合器和无源式光纤耦合器。
直连式光纤耦合器是指把两根光纤端对端连接，使其共同在同一被测量环境之下进行信号传输。
无源式光纤耦合器则是通过光学元件（例如棱镜、透镜和非线性晶体等）将两条纤维直通透过，使得两条光纤之间的光信号得以转移。
第三章光纤耦合器的应用光纤耦合器广泛应用于光通信领域，目前主要应用于高速通信、零位移、小尺寸化、光波导和光学传感等领域。
它能够提高光纤光路的一致性和差异系数，并提高网络稳定性和可靠性。
第四章光纤耦合器的设计原则在进行光纤耦合器的设计时，应遵循以下原则：1.合理选用耦合器类型；2.合理选择器件的参数；3.器件的耦合面和耦合角度要匹配，减小反射干扰；4.保证器件的密封性能和机械性能。
第五章光纤耦合器的设计流程光纤耦合器的设计流程主要包括以下几个阶段：1.确定设计目标，包括耦合器的带宽、损耗、反射等性能；2.确定材料、制造工艺和器件参数；3.进行光纤耦合器的仿真分析和性能测试；4.进行光纤耦合器的优化。
第六章光纤耦合器的改进方法为改善光纤耦合器的性能，可采用以下改进方法：1.采用合适的耦合面和耦合角度；2.利用特殊材料（例如光子晶体）材料取代原有的传统材料；3.采用高精度的器件加工工艺；4.结合微纳加工技术进行光纤环境的构建。
第七章结论光纤耦合器是重要的光通信组件之一，其性能对光通信系统的性能有直接影响。
因此，对于超高速宽带通信中的光纤耦合器的研究与设计是非常必要的，可是提高通讯质量和通讯速度，推动信息通信领域的发展。
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到广泛应用，而聚合物材料在其中扮演着重要的角色。
1.有机发光二极管（OLED）：OLED是一种基于聚合物材料的薄膜显示技术，具有自发光、大视角、高对比度等优势。
聚合物材料的研究和改进，可以提高OLED的发光效率、提高色彩还原度。
2.柔性显示器件：聚合物材料具有良好的柔韧性，可用于制备柔性显示器件，如柔性OLED、柔性显示电路等。
光纤通信-第三节光波导的横向耦合和耦合器
( 1 . 5 5 m )
Optical fiber communications
17.03.2019
当Input1和Input2同时有能量输入，两光场频率相同，位相不同。 Output1和Output2的输出功率比值范围是很大的。
波导没有损失和反射，即输入波导的功率等于输出波导的功率。 Pin1+P1n2=Pout1+Pout2
2
Optical fiber communications
17.03.2019
若：
2 P () z p ( 0 ) c o s k z 1 1
2 P () z p ( 0 ) s i n k z 2 1
A、两波导中传输功率的变化规律是能量在两波导中周期性的转换。 B、在波导中，光功率从P2(0)=0到z=L0处最大。 /k ，转换 此时，P1(L0)=0,即光功率全部耦合进第二波导，L 0 2 长度，取不同的长度，即可改变两耦合波导的输出功率比，这就是 定向耦合器的基本原理。
0 . 7 5 P 0 . 2 5 P c o s 1 2 1
0 . 2 5 P 0 . 7 5 P c o s 1 2 2
c o s c o s 1 2
P 1 P 2 P
1 3 2 P ( 0 . 7 5 P . 2 5 P ( )p o u t1 | m a x 1 0 2) 2 2 3 1 P 0 . 2 5 P 0 . 7 5 P p o u t2 m 1 2 i n 2 3 12 2 P ( 0 . 7 5 P . 2 5 P ( ) p o u t 1| m i n 12 0 2) 2
z=0, a1(0), a2(0)
Optical fiber communications
第三章 光功率分配器
第三章 光功率分配器
Bergh等人发明的光纤研磨法，将每根光 纤预先埋入玻璃块的弧形槽中，然后对 光纤的侧面进行研磨抛光，同时监视光 通量，研磨结束后，在磨面上加一小滴 匹配液，再将光纤拼接，做成光纤耦合 器。 克服了分立元件法的一些缺点，分光比 可调, 但制作困难，成品率低，环境特 性也不理想。
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。
制作光纤耦合器的主要方法，具有极低 的附加损耗(0.05dB)、方向性好(>60dB)、 稳定性好、方法简单、灵活、成本低廉、 适于批量生产等优势。
华南师大光电学院 黄旭光
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
华南师大光电学院
黄旭光
第三章 光功率分配器
项 目 工作波长 插入损耗(最大．dB) 均匀性(±dB)
1(2)×3 1(2)×4 1(2)×8 1(2)×12 1(2)×16
1310、1550nm, 其他可选 5.3 0.5 7.0 0．6 10.6 1.2 13.2 L6 14.2 1.8
6） PDL 分别对各输出端口而言
j) / Max(P j)] PDL = -10lg [Min(P out 华南师大光电学院 out 黄旭光
第三章 光功率分配器
7) 隔离度(Isolation) 指光纤耦合器件的某一光路对其他光路 中的光信号的隔离能力。隔离度高，意 味着线路之间的“串话 "(crosstalk) 小 。
光波导耦合器
.
16
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？
.
17
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
.
18
使用这样 的渐变结 构是否可 行？
.
19
.
20
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 .
21
思考：继 续增大两 端折射率 差会有什 么现象
.
22
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
.
23
.
24
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
.
8
.
9
光耦合器的基本参数
电磁场课件-第三章光波导
同一模式的光在不同频率下具有不同的相速度，导致 模式色散。
04
光波导器件
光波导调制器
定义
应用
光波导调制器是一种利用电场或磁场 改变光波在波导中的传播特性的器件。
在光纤通信、光信号处理等领域有广 泛应用。
工作原理
通过在波导中施加电场或磁场，改变 波导的折射率，从而实现对光的调制。
光波导放大器
电磁场课件-第三章光 波导
目 录
• 光波导的基本概念 • 光波导的原理 • 光波导的特性 • 光波导器件 • 光波导的发展趋势
01
光波导的基本概念
光波导的定义
总结词
光波导是一种能够控制光波在其中传播的介质，通常由折射率较高的材料构成。
详细描述
光波导是一种光学器件，其作用是引导光波沿着特定的路径传播。它通常由两种 折射率不同的介质构成，通过内层的高折射率材料和外层的低折射率材料的组合 ，使光波在界面上发生全反射，从而被限制在光波导内部传播。
模式传播
01
光波导支持多种光模式传播，每种模式具有不同的相位常数和
偏振态。
全反射
02
当光波的入射角大于临界角时，光波将在波导界面上发生全反
射，从而实现光的导引。
波导限制
03
光波导能将光限制在波导横截面内，防止光辐射到外部空间，
实现光的束缚。
光波导的损耗特性
吸收损耗
光波导材料对光的吸收导致光能转化为热能，造成光的损耗。
光波导器件的可靠
性
提高光波导器件的可靠性、稳定 性和寿命，以满足实际应用的需 求，降低维护成本和使用风险。
光波导技术的应用发展
光通信领域
利用光波导实现高速、大容量的信息传输，是未来光通信 的重要发展方向。
《光纤通信技术》课程教学大纲、教案、课程日历
《光纤通信技术》课程教学大纲、教案、课程日历第一章：光纤通信概述1.1 光纤通信的定义与发展历程1.2 光纤通信的优点与局限性1.3 光纤通信的应用领域第二章：光纤与光波导2.1 光纤的构造与类型2.2 光纤的传输原理2.3 光波导的类型与特点第三章：光纤通信器件3.1 光源与光发射器3.2 光接收器与光检测器3.3 光纤耦合器与光波分路器3.4 光放大器与光调制器第四章：光纤通信系统4.1 光纤通信系统的组成与工作原理4.2 光纤通信系统的性能评价指标4.3 光纤通信系统的分类与特点第五章：光纤通信技术的发展趋势5.1 高速光纤通信技术5.2 光纤通信网络技术5.3 新型光纤材料与器件5.4 光纤通信在5G及未来通信网络中的应用教学方法：1. 讲授：通过讲解、案例分析等方式，使学生掌握光纤通信的基本原理、技术及其应用。
2. 互动：鼓励学生提问、发表观点，提高课堂氛围，促进学生思考。
3. 实践：组织实验室参观、实践操作等活动，让学生亲身体验光纤通信技术的应用。
4. 讨论：组织小组讨论，培养学生团队合作精神，提高解决问题的能力。
教学评估：1. 平时成绩：考察学生出勤、课堂表现、作业完成情况等。
2. 期中考试：测试学生对光纤通信基本概念、原理和技术掌握程度。
3. 课程设计：要求学生完成一项与光纤通信相关的课程设计，培养实际操作能力。
4. 期末考试：全面考察学生对课程内容的掌握程度。
课程日历：第1周：光纤通信概述第2周：光纤与光波导第3周：光纤通信器件第4周：光纤通信系统第5周：光纤通信技术的发展趋势第六章：光纤通信系统的性能优化6.1 信号衰减与色散管理6.2 光纤非线性效应及其补偿6.3 光信号调制与解调技术第七章：光纤通信网络7.1 光纤通信网络的拓扑结构7.2 波分复用技术（WDM）7.3 光交换技术与光路由器7.4 光纤通信网络的规划与设计第八章：光纤通信技术的应用8.1 光纤通信在数据通信中的应用8.2 光纤通信在电信网络中的应用8.3 光纤传感器与光纤测量技术8.4 光纤医疗成像与治疗技术第九章：光纤通信技术的标准化与协议9.1 光纤通信标准化的意义与过程9.2 主要的光纤通信协议与标准9.3 光纤通信协议的发展趋势第十章：光纤通信技术的未来发展10.1 新型光纤材料与器件的研究10.2 量子光纤通信技术10.3 光纤通信在物联网中的应用10.4 光纤通信在未来通信网络中的挑战与机遇教学方法：6. 结合案例分析，深入探讨光纤通信系统的性能优化技术及其在实际应用中的作用。
单模光纤和光波导器件连接耦合技术的研究
单模光纤和光波导器件连接耦合技术的研究单模光纤和光波导器件之间的连接耦合技术一直是光通信领域的关键技术之一。
单模光纤作为光通信的传输介质，具有传输距离远、带宽大、传输损耗低等优点。
而光波导器件则是光通信系统中重要的功能组件，如激光器、光调制器、光探测器等。
连接耦合技术的研究旨在实现单模光纤和光波导器件之间的高效能耦合，以提高光通信系统的性能和可靠性。
光波导耦合技术是实现单模光纤和光波导器件连接的关键环节。
光波导器件通常采用半导体材料制成，例如硅、III-V族化合物半导体等。
传统的耦合技术常常采用氧化法、蒸镀法、电子束法等方法进行器件与光纤的连接。
然而，由于材料的差异以及制造工艺的限制，这些方法往往存在连接效率低、损耗大、制造成本高等问题。
为了解决这些问题，研究者们提出了一系列先进的耦合技术。
其中，光纤末端的微纳结构设计被广泛应用于耦合技术中。
通过在光纤的末端制作微纳结构，可以实现与光波导器件之间的高效能耦合。
常见的微纳结构包括球型、抛物线型、倒锥型等。
这些结构能够有效地改善光纤与光波导器件的匹配度，提高耦合效率。
另一种常见的耦合技术是光纤端面的切削和抛光技术。
通过精确的切削和抛光过程，可以使光纤端面达到光滑和平整的状态，减少光信号的散射和衰减。
切割和抛光技术的成功应用可以大大提高光纤与光波导器件之间的耦合效率。
除了传统的连接耦合技术外，还有一些新兴的研究方向。
例如，利用纳米技术制备纳米光纤，可以实现与纳米光波导器件的高效耦合。
此外，也有研究者提出了无连接直侵入耦合（butt-coupling）技术，即直接将光纤与光波导器件接触在一起，从而实现高效的连接。
总结起来，单模光纤和光波导器件连接耦合技术的研究旨在实现高效能的光通信系统。
通过微纳结构设计、精确的切割和抛光技术以及纳米技术等手段，可以提高连接耦合的效率和可靠性。
随着光通信技术的发展，相信连接耦合技术将不断创新，为光通信系统的性能提供更加可靠的保障。
第3章 光波导元器件和传感器
第3章 光波导元器件和传感器
3.4.4
模变换器
模变换器是将基模变换成其它高阶模的器件， 如图3.20所示。
2、分段连接。如图3.4所示，把直接连接的耦 合段部分分割成N-1个曲折的直波导，并使每段直 波导的长度∆l具有相等的耦合长度Lc，然后将它们 连接起来。
长春理工大学
第3章 光波导元器件和传感器
2 N 2
(3.1-1)
式中，N 表示连接点个数(N 3) ，为直接连接时的 曲折角。 3、S型连接。如图3.5所示，利用两个曲率半径 为R的弯曲波导以S形将两个波导连接。
5、什么是方向耦合器？
长春理工大学
第3章 光波导元器件和传感器
3.1 光路变换器
3.2 功率分配器
3.3 光波导偏振器 3.4 模分割器和模变换器 3.5 波导型透镜 3.6 光波导传感器
第3章 光波导元器件和传感器
3.3 光波导偏振器
在导波光学中，把除去某种偏振光的器件称为 偏振器。集成光路中偏振器主要有金属包层和各向 异性晶体。
长春理工大学
第3章 光波导元器件和传感器
2、方向耦合器。方向耦合器包括双通道方向耦合器， 二模波导耦合器，三波导方向耦合器和间隙渐变的方 向耦合器。 1）双通道方向耦合器，如图3.8所示。它由两条 相隔2~3μm的平行单模光波导构成。使用方向耦合 器，是构成功率分配器的有效方法。
长春理工大学
第3章 光波导元器件和传感器
第3章 光波导元器件和传感器
在非对称结构的分支波导中的输出分支2，主要 用于功率的监控，通常可以通过改变分支角θB的 方法调整功率分配比。 在多分支波导的情况下，为了能够在平均分配 功率的同时又将散射损耗控制在几分贝以下，需 要改变各个输出分支的宽度或者它们的折射率。 对称二分支波导是分支波导的基本结构，将多 个二分支波导串联就可以构造成1×N功率分配器。
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
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，1972 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。
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P
i
outi
P in
( 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
Байду номын сангаас
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 P outi I . L i 10 lg ( dB ) P in 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。
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？
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
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
第三章 光波导耦合器
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？
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
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
附 加 耗 ： EL 10 lg 0.9070 1 ( dB ) 0.4239 dB
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
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
C .R P outi
P
i
100%
outi
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
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
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