7耦合模理論及器件

1、耦合模理論及光耦合器件1耦合模理論光耦合器件光耦合器Mach-Zehnder干涉儀Mach-Zehnder型電光調(diào)制器Interleaver光濾波器微環(huán)諧振濾波器有機聚合物微諧振環(huán)電光調(diào)制器2耦合模理論的應(yīng)用范圍同一波導(dǎo)中不同模式之間的耦合，例如：光柵不同波導(dǎo)之間的耦合問題，是分析各種類型的半導(dǎo)體耦合器、定向耦合型調(diào)制器與光開關(guān)、陣列半導(dǎo)體激光器等光電子器件工作原理的理論依據(jù)。3縱向均勻無損光波導(dǎo)中模式的性質(zhì)：完備性：縱向均勻光波導(dǎo)內(nèi)的電磁場總可表示為波導(dǎo)內(nèi)沿z方向傳播各種模式的迭加正交性：模式相互獨立傳輸，無能量交換縱向非均勻光波導(dǎo)模式的性質(zhì)模式耦合：各模式之間有能量交換4光波導(dǎo)的縱向非均勻

2、性光波導(dǎo)的縱向不均勻起因：制作不完善；使用時引入；人為引入芯包分界面不均勻芯子直徑縱向變化 縱向不均勻制作不完善使用時引入重力影響導(dǎo)致的光纖縱向受力不均，引起幾何尺寸和折射率分布不均勻人為引入：光纖光柵，重要的光纖器件！5理想波導(dǎo)均勻?qū)嶋H波導(dǎo)不均勻折射率分布模場分布傳輸常數(shù)差異甚微緩變函數(shù)場方程縱向非均勻光波導(dǎo)的處理方法已知6模式的完備性緩變函數(shù)模式展開忽略7耦合方程耦合系數(shù)：模式（m,q）（n,p）之間的振幅耦合系數(shù)波導(dǎo)的縱向非均勻性引起了各傳導(dǎo)模式之間的耦合，隨著模式在波導(dǎo)內(nèi)的傳輸，各模式交換攜帶的能量模式耦合方程！乘橫截面積分&模式正交性，且8兩波導(dǎo)之間的橫向耦合當(dāng)兩波導(dǎo)的間距足夠大時，

3、各自模式場分布形式不會改變，稱兩波導(dǎo)之間為弱耦合。在弱耦合條件下，波導(dǎo)之間光場的橫向耦合可用各波導(dǎo)獨立時傳輸模式間的模式耦合方程來描述。在兩個正規(guī)光波導(dǎo)互相平行靠近時，波導(dǎo)之間會發(fā)生橫向耦合，其物理過程可以看成是：波導(dǎo)1中的模通過進入公共層的電磁場使波導(dǎo)2中的介質(zhì)極化，從而影響了波導(dǎo)2中的模9兩波導(dǎo)之間的橫向耦合考慮兩波導(dǎo)中都只有單模存在的情況，單模的傳輸常數(shù)分別為兩波導(dǎo)中模場的表達(dá)式分別為則耦合后的總電場可以寫為定義模式沿波導(dǎo)正向傳輸時，p,q=+.10則耦合模方程變?yōu)椋河赡Ｊ今詈戏匠趟?guī)定的模耦合系數(shù)，具有對稱性。當(dāng)兩光波導(dǎo)折射率完全相同時，11可以證明模式耦合只能在兩個相互簡并的模之間發(fā)

4、生，即：則耦合模方程進一步變?yōu)椋浩渫ń鉃椋?2設(shè)初始條件為：如果 ，則傳輸功率在兩個波導(dǎo)之間周期性交替?zhèn)鬟f13光從波導(dǎo)1完全耦合至波導(dǎo)2的長度為耦合長度，在其奇數(shù)倍長度處也可實現(xiàn)完全耦合14光耦合器件光耦合器Mach-Zehnder干涉儀Mach-Zehnder型電光調(diào)制器Interleaver光濾波器微環(huán)諧振濾波器有機聚合物微諧振環(huán)電光調(diào)制器15光耦合器件（一）耦合器功能：對同一波長的光功率進行分路或合路類型：Y型、X型22耦合器、1N型、MN型分類：光纖熔錐型耦合器集成光波導(dǎo)型耦合器 16光纖熔錐型耦合器的制作方法將兩根(或兩根以上)除去涂覆層的光纖以一定的方式靠攏在高溫加熱下熔融，同時向

5、兩側(cè)拉伸，最終在加熱區(qū)形成錐體形式的特殊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)傳輸光功率耦合。多根光纖一起熔融技術(shù)難度大，主要是眾多光纖之間的耦合響應(yīng)控制比較困難熔融拉錐法最常用于制作2*2耦合器17熔錐型光纖耦合器光功率的分配 耦合光功率P2跟以下參數(shù)有關(guān)：拉伸區(qū)長度2L+W拉伸區(qū)內(nèi)逐漸變小的光纖半徑r耦合區(qū)中兩根光纖的半徑差Dr總拉伸長度光約束在纖芯中傳播光纖半徑減小V明顯減小部分光在纖芯外傳播發(fā)生耦合P3P1P2P0光輸入后向反(散)射光直通功率耦合功率火焰寬度決定拉伸時決定18光纖耦合器的散射矩陣表示法其中S為散射矩陣， sij = |sij|exp(-jfij)為耦合系數(shù)e 為光功率從端口1到端口2的耦合比

6、例19熔融拉錐型耦合器的特點 優(yōu)點：(1)極低的附加損耗，目前利用熔錐法制作的標(biāo)準(zhǔn)X(或Y)型耦合器的附加損耗已低于0.05dB。 (2)方向性好。這類器件的方向性指標(biāo)一般都超過60dB，保證了傳輸信號的定向性，并極大地減少了線路之間的串?dāng)_。(3)良好的環(huán)境穩(wěn)定性。在經(jīng)過適當(dāng)保護后，受環(huán)境條件的影響可以限制到很小的程度。(4)控制方法簡單、靈活?？梢苑奖愕馗淖兤骷男阅軈?shù)。(5)制作成本低廉、適于批量生產(chǎn)。缺點：波長依賴性不便于大規(guī)模集成20波導(dǎo)型耦合器沉積、光刻、擴散。 缺點:價格高，一般為拉錐型耦合器的幾倍插入損耗大21耦合器的應(yīng)用主要用途：功率分配PASSIVESPLITTER22光耦

7、合器件（二） Mach-Zehnder干涉儀23證明 ：當(dāng) 時，經(jīng)過中間單模光纖的傳輸 ： 24Mach-Zehnder干涉儀的通帶特性M-Z干涉儀的兩輸出是互補對稱的。25電光調(diào)制是基于線性電光效應(yīng)（普克爾效應(yīng)）即光波導(dǎo)的折射率正比于外加電場變化的效應(yīng)。電光效應(yīng)導(dǎo)致的相位調(diào)制器中光波導(dǎo)折射率的線性變化，使通過該波導(dǎo)的光波有了相位移動,從而實現(xiàn)相位調(diào)制。單純的相位調(diào)制不能調(diào)制光的強度。由包含兩個相位調(diào)制器和兩個Y分支波導(dǎo)構(gòu)成的馬赫澤德（Mach-Zehnder）干涉儀型調(diào)制器能調(diào)制光的強度。光耦合器件（三）Mach-Zehnder型電光調(diào)制器26Mach-Zehnder型電光調(diào)制器xy為調(diào)制器

8、兩臂對光引入的相位差，驅(qū)動電壓將改變調(diào)制器兩臂的折射率，改變，進而改變輸出光功率，實現(xiàn)調(diào)制LiNbO3晶體具有電光效應(yīng)，即折射率會隨著施加電壓而改變Y形波導(dǎo):將光分成功率相等的兩路Ti-LiNbO3波導(dǎo)共平面條形電極27V/2VVt調(diào)制電壓透射光強電光調(diào)制的透過率(調(diào)制器被偏置在V/2點上)偏置電壓的選擇很重要！28消光比可以超過20dB驅(qū)動電壓：3-5V最高調(diào)制帶寬已達(dá)75GhzMach-Zehnder型電光調(diào)制器是目前光通信系統(tǒng)中最為常用的調(diào)制器！29光耦合器件（四） Interleaver 濾波器使用Interleaver的目的是為實現(xiàn)50 GHz間隔的密集波分系統(tǒng)同時避免器件技術(shù)的過分

9、復(fù)雜和太高成本。Interleaver的作用就是交錯濾波，Interleaver復(fù)用器是將兩路分別包含多個波長的光信號合并成一路波長間隔減半的光信號；解復(fù)用是將一路多波長信號分成兩路，一路包含奇數(shù)路波長，另一路包含偶數(shù)路波長，間隔倍增。30Interleaver 濾波器的通帶特性31Interleaver 濾波器的應(yīng)用實例Interleaver的使用，使系統(tǒng)建成初期可以先采用較大的信道間隔，當(dāng)業(yè)務(wù)量逐漸增加時，通過增加#2，#3等波分復(fù)用器和解復(fù)用設(shè)備逐漸減小信道間隔，提升系統(tǒng)容量。32原理都是級聯(lián)MZI，但實現(xiàn)技術(shù)不同原理都是級聯(lián)MZI，但實現(xiàn)技術(shù)不同Interleaver的典型實現(xiàn)技術(shù)33

10、Interleaver的典型實現(xiàn)技術(shù)級聯(lián)MZI多級MZI輸出端口的光信號由光從輸入端口到輸出端口的所有路徑通過的分量組成，每一條路徑構(gòu)成通帶響應(yīng)Fourier級數(shù)展開式中的一個諧波項通過對各個MZI兩臂長度的選擇，級聯(lián)MZI可以獲得F()表示的通帶響應(yīng)，類似于方波信號的傅氏級數(shù)展開式。34F()展開式中的各項系數(shù)由各個耦合器的耦合比決定，此處C1,C2,C3,C4的耦合比分別為50%，50%，3%，3%通過對級聯(lián)MZI臂長及耦合器耦合比的選擇獲得了平坦的通帶光譜特性Interleaver的典型實現(xiàn)技術(shù)級聯(lián)MZI35光耦合器件（五）微諧振環(huán)濾波器微諧振環(huán)示意圖微環(huán)的諧振條件：微環(huán)結(jié)構(gòu)的諧振效應(yīng)使

11、其具有獨特的波長選擇、高Q因子等特性，并且由于其結(jié)構(gòu)緊湊的特點，使其在光分插復(fù)用器，調(diào)制器，光開關(guān)，光延時線，色散補償器等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。36微諧振環(huán)通常制作在光波導(dǎo)上，由環(huán)半徑為幾十微米到幾百微米的環(huán)形波導(dǎo)和直波導(dǎo)相互耦合構(gòu)成，既可以是只有一個環(huán)的簡單結(jié)構(gòu)，也可以有多個環(huán)通過串聯(lián)、并聯(lián)等方式構(gòu)成陣列。微諧振環(huán)的結(jié)構(gòu)37 為去諧頻率，f0為諧振頻率，m為諧振階次 自由光譜范圍，是 濾波器的兩個連續(xù) 通帶間的頻率范圍微諧振環(huán)濾波器耦合A為損耗系數(shù)Lc為環(huán)形波導(dǎo)周長t為透射系數(shù)k為耦合系數(shù)38微諧振環(huán)濾波器性能分析（一）無損時下話路的相對輸出功率 微諧振環(huán)僅支持在諧振腔內(nèi)完成總相移為2 整數(shù)倍的

12、那些波長從下話路輸出，這些波長即為諧振器的諧振波長，可表示為： 39微諧振環(huán)濾波器性能分析（二）下話路的傳輸特性通路的傳輸特性為帶通特性為帶阻特性在環(huán)內(nèi)損耗相同的情況下，耦合系數(shù)越大，帶寬越寬；在耦合系數(shù)相同的情況下，損耗越小，諧振時輸出幅度越大。40微諧振環(huán)濾波器性能分析（三）傳輸函數(shù)是周期性函數(shù)，耦合系數(shù)越小，通帶特性越尖41為了獲得更好的通帶特性（例如更寬更加平坦的通帶特性），可以將諧振腔串行排列，也可以并行排列，或者串并結(jié)合。42光耦合器件（六）聚合物微諧振環(huán)電光調(diào)制器摻雜發(fā)色團的有機聚合物在極化之后具有一定的電光效應(yīng)這里假設(shè)我們將得到： 43聚合物微諧振環(huán)電光調(diào)制器假設(shè)光的極化沿Z軸

13、，那么這種經(jīng)過極化調(diào)制的折射率可由下式給出： V是加到器件上的電壓。44聚合物微諧振環(huán)電光調(diào)制器的結(jié)構(gòu)電極結(jié)構(gòu)與環(huán)形波導(dǎo)共形，以達(dá)到微波在電極中的相速度與光波在聚合物波導(dǎo)中的相速度更好的匹配行波電極聚合物微諧振環(huán)電光波導(dǎo)調(diào)制器結(jié)構(gòu)示意圖調(diào)制器波導(dǎo)截面示意圖聚合物芯層由具有電光效應(yīng)的聚合波導(dǎo)材料構(gòu)成，下包層和上包層由無源聚合物波導(dǎo)材料構(gòu)成45微諧振環(huán)進行調(diào)制的示意圖通過調(diào)節(jié)微環(huán)的折射率，可以改變微環(huán)的諧振波長，則固定波長光的通過率發(fā)生變化，進而實現(xiàn)調(diào)制微諧振環(huán)調(diào)制器透過率與電壓的關(guān)系聚合物微諧振環(huán)電光調(diào)制器的調(diào)制原理46DWDM系統(tǒng)中的微環(huán)調(diào)制器微環(huán)調(diào)制器的一個很大特點是具有波長選擇性，每個微環(huán)只調(diào)制與其諧振波長非常接近的波長，在一個芯片上可以調(diào)制很多波長的光?？烧{(diào)制的波長數(shù)由其FSR決定，F(xiàn)SR越大，可調(diào)制的波長數(shù)越多。47聚合物微諧振環(huán)電光調(diào)制器的其他特點與M-Z電光調(diào)制器相比，由于諧振增強效應(yīng)，在相同結(jié)構(gòu)參數(shù)的條件下，微環(huán)諧振腔調(diào)制器的調(diào)制靈敏度可以