(集成光电子学导论)第三章光波导耦合器

Rsoft上面有个example
灰色那条应该是把default改成inactive吧老师没仔细说
D:\RSoft\examples\BeamPROP\Tutorial\Tut03\MMI.ind
是多模干涉的例子
1550 nm
1310 nm
马赫泽德干涉仪 见下一页
思考：如何用集成光电子元件实现马 赫泽德干涉仪的结构？
(集成光电子学导论)第三章光波导耦合器
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
C.R Pouti 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
1 NEW新建监视 2 点击光走的路程 3 设置基模
设置完监视器 之后点运行
运行之后会有能 量分布图出来
点击 contour map 之后就 会有这个图
尽量让分出来 功率之和为1 （损耗尽量小）
• 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%
• 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？
ห้องสมุดไป่ตู้拍长 π/kβ
Optical power
Propagation distance
3dB direction coupler
思考：这 个器件是 否与波长 有关？为 什么？
再用光纤导出 可以达到
利用多模干涉可以成像 （极少数不用透镜成像）
一分为多的效果
如图
一分为三
一分为四
一分为七
由于衍射极限的 限制，(1分为7时) 会不均匀？我记 得光束可以弄得 很小 可以突破衍 射极限
多模干涉 成像有限 制：
物体要比较 小，要位于 光纤内部。 因为条件苛 刻，所以不 能广泛应用。
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？
忘了。。。
干涉的条件： 波长相同，相差恒定， 振动方向相同。
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
I.Li 10lgPouti (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
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
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:
一个臂不变作为参考，然后另外 一个臂发生改变（可以利用电光 材料改变它的偏振态）然后观察 两束光能不能发生干涉
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
先画光纤 设置监视器
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？
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
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？
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
Pouti
EL10lg i (dB) Pin
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
思考：这有什么用？
思考：定向耦合器是否可逆？
0.5W 0.5W
00.5.5WW
? 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？ 能
现在让我们一起基于Rsoft软件来设计这个结构
思考：这个器件是否可逆？
能 只要结构设计的好就可以
多模干涉耦合器 如果在下面位置截开，
[ 2 xk0 2n22]U (x)0
Schrödinger equation:
[21m2 xVE](x)0
x
nclad
V
ncore
?
V0
E3
nclad
E2
n nclad ncore
Vwell
E1 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)