《耦合模理论及器》PPT课件

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1、耦合模理论及光耦合器件耦合模理论光耦合器件光耦合器Mach-Zehnder干涉仪Mach-Zehnder型电光调制器Interleaver光滤波器微环谐振滤波器有机聚合物微谐振环电光调制器耦合模理论的应用范围同一波导中不同模式之间的耦合，例如：光栅不同波导之间的耦合问题，是分析各种类型的半导体耦合器、定向耦合型调制器与光开关、阵列半导体激光器等光电子器件工作原理的理论依据。纵向均匀无损光波导中模式的性质：完备性：纵向均匀光波导内的电磁场总可表示为波导内沿±z方向传播各种模式的迭加正交性：模式相互独立传输，无能量交换纵向非均匀光波导

2、模式的性质模式耦合：各模式之间有能量交换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∆纵向不均匀制作不完善使用时引入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人为引入：光纤光栅，重要的光纤器件！理想波导—均匀实际波导—不均匀折射率分布模场分布传输常数差异甚微缓变函数场方程纵向非均匀光波导的处理方法已知模式的完备性缓变函数模式展开忽略耦合方程耦合系数：模式（m,q）（n,p）之间的振幅耦合系数波导的纵向非均匀性引起了各传导模式之间的耦合，随着模式在波

3、导内的传输，各模式交换携带的能量模式耦合方程！！！乘横截面积分&模式正交性，且两波导之间的横向耦合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。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中的模两波导之间的横向耦合考虑两波导中都只有单模存在的情况，单模的传输常数分别为两波导中模场的表达式分别为则耦合后的总电场可以写

4、为定义模式沿波导正向传输时，p,q=+.则耦合模方程变为：由模式耦合方程所规定的模耦合系数，具有对称性。当两光波导折射率完全相同时，可以证明模式耦合只能在两个相互简并的模之间发生，即：则耦合模方程进一步变为：其通解为：设初始条件为：如果，则传输功率在两个波导之间周期性交替传递光从波导1完全耦合至波导2的长度为耦合长度，在其奇数倍长度处也可实现完全耦合光耦合器件光耦合器Mach-Zehnder干涉仪Mach-Zehnder型电光调制器Interleaver光滤波器微环谐振滤波器有机聚合物微谐振环电光调制器光耦合器件（一）——耦合器功

5、能：对同一波长的光功率进行分路或合路类型：Y型、X型22耦合器、1N型、MN型分类：光纤熔锥型耦合器集成光波导型耦合器光纤熔锥型耦合器的制作方法将两根(或两根以上)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，最终在加热区形成锥体形式的特殊波导结构，实现传输光功率耦合。多根光纤一起熔融技术难度大，主要是众多光纤之间的耦合响应控制比较困难熔融拉锥法最常用于制作2*2耦合器熔锥型光纤耦合器光功率的分配耦合光功率P2跟以下参数有关：拉伸区长度2L+W拉伸区内逐渐变小的光纤半径r耦合区中两根光纤的半径差Dr总拉伸

6、长度光约束在纤芯中传播光纤半径减小V明显减小部分光在纤芯外传播发生耦合P3P1P2P0光输入后向反(散)射光直通功率耦合功率火焰宽度决定拉伸时决定光纤耦合器的散射矩阵表示法其中S为散射矩阵，sij=

7、sij

8、exp(-jfij)为耦合系数e为光功率从端口1到端口2的耦合比例熔融拉锥型耦合器的特点优点：(1)极低的附加损耗，目前利用熔锥法制作的标准X(或Y)型耦合器的附加损耗已低于0.05dB。(2)方向性好。这类器件的方向性指标一般都超过60dB，保证了传输信号的定向性，并极大地减少了线路之间的串扰。(3)良好的环境稳定性。在经过

9、适当保护后，受环境条件的影响可以限制到很小的程度。(4)控制方法简单、灵活。可以方便地改变器件的性能参数。(5)制作成本低廉、适于批量生产。缺点：波长依赖性不便于大规模集成波导型耦合器沉积、光刻、扩散。缺点:价格高，一般为拉锥型耦合器的几倍插入损耗大耦合器的应用主要用途：功率分配PASSIVESPLITTER光耦合器件（二）——Mach-Zehnder干涉仪证明：当时，经过中间单模光纤的传输：Mach-Zehnder干涉仪的通带特性M-Z干涉仪的两输出是互补对称的。电光调制是基于线性电光效应（普克尔效应）即光波导的折射率正比于外加

10、电场变化的效应。电光效应导致的相位调制器中光波导折射率的线性变化，使通过该波导的光波有了相位移动,从而实现相位调制。单纯的相位调制不能调制光的强度。由包含两个相位调制器和两个Y分支波导构成的马赫－泽德（Mach-Zehnder）干涉仪型调制器能调制