实验三：集成波导马赫-曾德尔干涉仪

实验三：集成波导马赫-曾德尔干涉仪

一、实验目的：

1．掌握MZI 的干涉原理

2．掌握MZI 干涉仪的基本结构和仿真方法 二、实验原理：

MZI 干涉原理基于两个相干单色光经过不同的光程传输后的干涉理论。MZI 主要由前后两个3dB 定向耦合器和一个可变移相器组成。最终使不同的两个波长分别沿两个不同的端口输出。其结构示意图如下所示：

图1 MZI 干涉原理简图

马赫－曾德干涉结构可用做光调制器，也可用做光滤波器。

1、马赫－曾德干涉仪的分光原理：

设两耦合器的相位因子分别为12,ϕϕ,当干涉仪一输入端注入强度为0I (以电场强度表示为0E )光波时，可以推出两个输出端的光场强度12,I I (以电场强度分别表示为12,E E )分别为：

2

2

22

11012122222

2201212cos ()sin(2)sin(2)sin (/2)sin ()sin(2)sin(2)cos (/2)I E E L I E E L ϕϕϕϕβϕϕϕϕβ⎡⎤==++⎣⎦⎡⎤==-+⎣⎦

式中，β为传输常数；12∆=-L L L 为干涉仪两臂的长度差，它在干涉仪两臂之间引入的相位差：2/2/∆=∆=L n L C F βπυπυ。（υ为光的频率；n 为光纤纤心的折射率：C 为真空中的光速；/=∆F C n L 为马赫一曾德干涉仪的自由程。

当构成干涉仪的两耦合器均为标准的3 dB 耦合器(即分光比为1：1)时，两耦合器的相位因子为045，可以得到干涉仪输出端的强度传输系数分别如下：

[][]2

1112002

2222001

1cos(2/)21

1cos(2/)2

===-===+E I T F I E E I T F I E πυπυ 图2给出了强度传输系数随输入光频率的变化曲线：

图2 马赫－曾德干涉仪强度传输系数随频率变化曲线

从图2可以看出，两个输出端的强度传输系数正好是反相的，也就是说，当在干涉

仪的一个输入端注入单一频率的光波时，调节干涉仪使一个输出端输出光强度达到最大时，则另一输出端输出光强度将达到最小。另外，根据图2，还可以得到一个重要的结论：当在干涉仪一个输入端同时注入两个频率分别为12,υυ的光波时，如果二者的频差

21∆=-υυυ与干涉仪自由程

F 满足关系式(1/2)∆=+K F υ (0,1,2,=⋅⋅⋅K )，则可以实现两

个频率不同的光波分别在不同的输出端输出，即实现不同频率光波的分离。

2、马赫－曾德干涉仪的滤波原理 马赫－曾德滤波器结构如图3所示：

图3 马赫－曾德干涉仪滤波器原理图

输入光功率i P 经第一个3dB 耦合器等分为1i P 和2i P 两部分，他们分别在长度为1L 和

2L 的光波导中传输后，经过第二个3dB 耦合器合在一起。

设输入光功率i i i P E E *∝∙，则输入光的电场强度可以表示为：

i t i l E Ae i ω=

其中l i 表示光的偏振方向上的单位矢量。经过第一个3dB 耦合器将输入光分成两束，每

束光功率可表示为：

2

122

i i A P P == 假设经过1L 和2L 的传输后，两束光的偏振方向保持不变，则他们的电场强度分别为：

12(/)(/)

12; i t L v i t L v l l E i E i ωω--=

= 式中v 为波导中光的传播速度。经过第2个耦合器后，总电场强度为：

12(/)(/)

12E ]i t L v i t L v E E e e ωω--=+=

+ 输出光功率：

2221212()[1cos ]cos [()]2o A L L P E E A L L v v

ωπυ

*

-∝⋅=+=-

三、实验内容：

利用OptiBPM6.0设计已和MZI 干涉仪，并分析仿真结果。

四、实验方法：

1、创建材料库：

Materials －Diffused ：

Crystal name: Lithium_Niobate

Crystal cut :Z

Propagation direction:Y Materials －Dielectric1：

Name: air

Refractive index ：1.0

Profiles －Diffusion-Ti:LiNbo3 Name: TiLiNbO3

Group I －lateral diffusion length :3.5 Group I －Diffusion length in depth 4.2 2、晶体参数：

Waveguide Properties 参数：

Width ：8.0

Profile ：TiLiNbO3

Wafer Dimensions 参数：

Length: 33000 Width:100

2D Wafer Properties 参数：

Material ：Lithium_Niobate

3D Wafer Properties参数：

Cladding—Material: air

Cladding—Thickness: 2

Substrate—Material: Lithium_Niobate

Substrate—Thickness: 10

3、添加波导和输入平面：

Z position的值设置为0.0000。

4、仿真：

仿真参数：

Global Data页面－

Reference Index: Modal

Wavelength m: 1.3

2D页面－

Polarization: TM

Mesh—Number of points: 500

BPM solver: Paraxial

Engine: Finite Difference