《波导光学》2-1-2

耦合效率
• 标准光纤和波导在端面耦合时模式失配损耗是插入损耗的主要因素 • 利用光纤和波导模场的重叠积分可以得到两者耦合时的损耗 • 改变波导的几何尺寸，从而改变波导的模场分布，可以使波导的模
场和光纤的模场达到较好的耦合
特征模展开的系数 Am
E(x, y) Em* (x, y)dxdy E*(x, y) Em* (x, y)dxdyຫໍສະໝຸດ Baidu
的耦合
反向耦合
应用实例：Bragg Grating 电光调制、声光调制、磁光调制、波导非线性效应等
导波模与辐 射模的耦合 应用实例：棱镜-波导耦合系统
实际波导总存在微小的不均匀或不规则，导波模产生与局部缺陷相应的局部场
模式耦合：一部分光功率转换到辐射模或者其它导模中去
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横向耦合
（端射法或正向耦合法）
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。
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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
– 数学上用正交函数展开，如傅立叶级数等，称之为特征模展开； – 各导波模以相应阶数模的传播常数传播； – 随着光的传播，不同模之间的相位差将发生变化，导致导波模叠
加以后的电磁场分布也随着传播过程而变化，光束像蛇一样反复 蠕动前进。
E(x,t)
AmE(m) (x) exp[ j(t mz)] m
E(m) y
E y( s
)*dx
2 m
s,m
s,m 当s=m, 为1，其余为0
3
平板波导模式分布-辐射模
Cladding
Core
qi
Substrate
辐射模的特点： • 包层中场成震荡形式。 • 传播常数连续。 • 沿传播方向有损耗。 • 与导模一起组成一个
完备的正交函数集。
4
光场在单根波导中的传播
聚焦耦合方法
利用透镜将入射光波聚焦后从波导端面耦合进光波导，模式匹配程度影响耦合效率 同时端面需经过研磨、抛光等工艺过程，以保证无缺陷良好状态。模式匹配好时理 论耦合效率接近100%，实际约60%
特征模的展开
• 任意电场分布的光波入射如何转变成波导的模式（导模+ 辐射模）？
• 处理方法：将任意电场分布展开，分解成不同模式的电 磁场分布。
• 当两波导的间距足够大时，各 自模式场分布形式不会改变， 称两波导之间为弱耦合。
• 在弱耦合条件下，波导之间光 场的横向耦合可用各波导独立 时传输模式间的模式耦合方程 来描述。
两个波导间的横向耦合
• 理想波导认为各模式之间满足正交关系，模式 之间没有能量耦合。实际上由于波导损耗、变 形、结构障碍等都会引起模式之间的耦合。
高出纤光功率TO封装LD设计
非球透镜---工艺实现
光纤与光波导之间的耦合 ---无源光子器件
无源耦合技术
光纤V型槽
封装(Package)
Pig-tailed Chip
两波导之间的横向耦合
• 在两个正规光波导互相平行靠近时，波导之间会发生横向耦合， 其物理过程可以看成是：波导1中的模通过进入公共层的电磁 场使波导2中的介质极化，从而影响了波导2中的模
对ф=1.5mm,n2=1.5的球透镜 2X1∽ 1.7mm >>φf ŋ max ≦15% Pf(max) ∽ 1.5mw
LD
N2
2X1
光纤
横向耦合实例—激光器(LD)到光纤输出
• 高出纤光功率TO封装LD设计--非球透镜
• 优点:像差小,ŋ高 • 问题:工艺复杂,价格较高
光纤
LD
ŋ≥ 35%
ŋmax ∽ 53%
第二章 光波导耦合理论与耦合器
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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。
• 横向耦合：如当两个波导靠得很近时，由于消 逝波的作用会发生两波导之间的能量耦合。
1
2
• 两个波导模的横向耦合：
– 严格解应该是将两个波导作为一个统一的耦合波导 系统求解，但一般来说没有解析解。
• 横向耦合(Transverse Coupling Method）： 在与波导光传播垂直的光波导端面上，射入与光 波导模场分布接近的光波实现激励
光纤与平面光波导的耦合 平面光波导之间的耦合 半导体激光器与平面光波导的耦合 分类: 聚焦耦合（end-fire） 、对接耦合（butt-coupling)
理想情况：波导没有缺陷 折射率分布均匀、规则
沿波导方向保持光场形状无改变
实际：制作波导的材料存在损耗，光 场沿传播方向振幅呈指数衰减
模式耦合
• 定义：波导中由于某种原因产生的由一种模式向 另外一种模式的转换，或多个波导组成的系统中 ，其中一个波导传输的模式向另外波导的转移
• 实质：模式的能量变换
• 例子：
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）
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
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横向耦合实例— 半导体激光器与光波导的直接 对接耦合
---集成光子学器件之间的耦合
da
dg
X (da dg ) 2
可获得68%的耦合效率
耦合光功率P
P / P0 cos( X / da )
2.4.50
横向耦合实例—激光器(LD)到光纤输出
• 高出纤光功率TO封装LD设计-- 传统球透镜:
• 优点:工艺成熟,用量大,成本低 • 问题:耦合效率ŋ低 • 原因:球透镜的球差太大 2X1=1/2(n2/(n2-1)2-1)·f ·NA3