第七章波导输入和输出耦合器

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
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➢ 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
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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:
光耦合的概念
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➢ “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。
➢ 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。
横向耦合器
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➢ 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 y
n1
n2
Pin / out Pt
分贝表示：cm10logPin P /tout 10log1 cm
其中，Pin / o为u t 耦合进（出）波导的功率； 为P t 耦合前光 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
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➢ 对于一个选模耦合器，可以分别确定每个模式的耦合
横向耦合器
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➢ 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
m cm
64
m12
1 42 4
2
3
nLng
2
1n4L
2
n4g3
cos2
tg
2tL
归一化因子
反射因子
1 1 4
1
4m2t41g2 42 tL32
tg {tL
cos2
m
2
面积失配因子
1 m44 02,14, 243
波导的TE导模阶数
思考：为什么与奇数阶导模不
交叠因子
发生耦合？
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
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➢ 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。
➢ 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。
光耦合原理
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➢ 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
yz
n3
m
p
m0
m1
n1
0
1
n2
• 用夹具将高折射率（ n p 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。
棱镜耦合器
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输入棱镜耦合器
np
输出棱镜耦合器
x
yz
n3
m
p
m0
m1
n1
0
1
n2
• 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 k0npsinm
P P0
cos
2
t
X
L
P 0 :无横向位移（ X ）0时的耦合功率 P :有横向位移（ X ）0时的耦合功率
上式假设 t g 和t L X t。Ltg 2
横向耦合器
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➢ 实例：tL 5.8m和 tg 2.0m。
虚线：理论计算值 实线：实验测量数据
横向耦合器
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➢ 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。
效率。
百分比表示：
m cm
Pm in / out Pt
分贝表示：cm m10logPin P m /tout
1
10logcm m
其中，P i
m n
/
o为u t 耦合进（出）第
阶m 模式的功率； 为P t耦合
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。
其中，A x为 输入激光束的振幅分布， B 为 x 第 阶m导模
的振幅分布。
横向耦合器
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➢ 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%）。
z
波导既可以是平面型，也 可以是通道型。
横向耦合器
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➢ 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
cm m
AxB*xdx2
AxA*xdx BxB*xdx
m n3
n1
x
y
匹配条件，即z向传播常数相 z 等，也即要求：Biblioteka mmk0n3sinm
通常情况下
导模条件：k 0n 3k 0n 2m k 0n 1
n2
n1 n2 n3
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
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➢ 棱镜耦合器的工作原理如下图所示
输入棱镜耦合器
np
输出棱镜耦合器
x
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。
横向耦合器
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➢ 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
➢ 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。
横向耦合器
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➢ 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。