电子科技大学：《光波导理论与技术 Optical Waveguides Principles and Technologies》课程教学资源（课件讲稿）第七章 光波导单元与器件实例

University of Electronic Science and Technology of China 1956 七.光波导单元与器件实例 1

University of Electronic Science and Technology of China 1 七．光波导单元与器件实例

University of Electronic Science and Technology of China 口本章内容 1956 1.基本光波导单元结构 ① 定向耦合器（含模式演变的定向耦合器） 对称与非对称Y分支 ③ 多模干涉耦合器(MMI) ④ 马赫-曾德尔千涉仪(MZI) ⑤ 微环谐振器 2.光波导器件实例 ①最简单的光波导-应力感应的光波导 ② 一个简单的可变光衰减器 ③ 变废为宝较有创意的光波导传感器 ④ 三位垂直耦合光开关 ⑤ 经典与最新文献分享报告 2

University of Electronic Science and Technology of China 2 1. 基本光波导单元结构 ① 定向耦合器（含模式演变的定向耦合器） ② 对称与非对称Y分支 ③ 多模干涉耦合器（MMI） ④ 马赫-曾德尔干涉仪（MZI） ⑤ 微环谐振器 2. 光波导器件实例 ① 最简单的光波导--应力感应的光波导 ② 一个简单的可变光衰减器 ③ 变废为宝--较有创意的光波导传感器 ④ 三位垂直耦合光开关 ⑤ 经典与最新文献分享报告 ❑本章内容

University of Electronic Science and Technology of China 1.基本光波导单元结构-定向耦合器 1956 d 输入波导 输出波导 113 B 图7-1.定向耦合器的结构示意图 3

University of Electronic Science and Technology of China 3 图7-1. 定向耦合器的结构示意图 1. 基本光波导单元结构-定向耦合器

University of Electronic Science and Technology of China 1.基本光波导单元结构-定向耦合器 1956 输入波导 输出波导 耦合条件： 相位匹配阝=β2 耦合系数K0 图7-2.定向耦合器的结构与功能 4

University of Electronic Science and Technology of China 4 图7-2. 定向耦合器的结构与功能 耦合条件： 相位匹配 1 =2 耦合系数 0 1. 基本光波导单元结构-定向耦合器

University of Electronic Science and Technology of China 1.基本光波导单元结构-定向耦合器 1956 LPo1 LPo1 LPoi LP11a LPoi LP11b 图7-3.波导中几个低阶模的场分布特征 5

University of Electronic Science and Technology of China 5 1. 基本光波导单元结构-定向耦合器 图7-3. 波导中几个低阶模的场分布特征

University of Electronic Science and Technology of China 4 1.基本光波导单元结构-定向耦合器 1956 ▣分析方法： ① 耦合模理论 P(z)= 14(z)2 =1-Fsin2(gz) 4,2 B(a)= B(-Fsin'() 4,2 这里F代表最大功率耦合效率 F= K -1+(6/x)2 6

University of Electronic Science and Technology of China 6  分析方法： ① 耦合模理论 1 sin ( ) ( ) ( ) 2 2 0 2 F qz A A z P z a = = − sin ( ) ( ) ( ) 2 2 0 2 F qz A B z P z b = = 这里F代表最大功率耦合效率 2 2 1 ( ) 1    + =         = q F 1. 基本光波导单元结构-定向耦合器

University of Electronic Science and Technology of China 1.基本光波导单元结构-定向耦合器 1956 ▣ 分析方法： 02 超模（正规模)理论 n h 图7-4.相距较近的两 个三层平板波导中耦 合的基模（对称模， d 偶模)与一阶模（反 ni 对称模，奇模)的电 场分布。 n2 Ee :E 7

University of Electronic Science and Technology of China 7  分析方法： ② 超模（正规模）理论 图7-4.相距较近的两 个三层平板波导中耦 合的基模（对称模， 偶模）与一阶模（反 对称模，奇模）的电 场分布。 1. 基本光波导单元结构-定向耦合器

University of Electronic Science and Technology of China STC 1.基本光波导单元结构-定向耦合器 1956 =0 耦合区 n 1 E.(B) E(B)》 E(B.)E,(B.) 图7-5.利用对称模与反对称模解释光波导定向耦合器 π B。-B。 K (5-125) 2L. 2 8

University of Electronic Science and Technology of China 8 图7-5. 利用对称模与反对称模解释光波导定向耦合器 1. 基本光波导单元结构-定向耦合器 2 2 e o Lc     − = = (5-125)

University of Electronic Science and Technology of China 1.基本光波导单元结构-定向耦合器 1956 输入波导 输出波导 耦合区 ny n 传输矩阵：将定向耦合器看做一个4端口器件，其传输矩 阵可表示为 其中 V= 2 △ner: 对称模与反对成模有效折射率之差 9

University of Electronic Science and Technology of China 9 传输矩阵：将定向耦合器看做一个4端口器件，其传输矩 阵可表示为             − − =      2 1 4 3 sin cos cos sin E E i i E E     其中    neff LDC = neff：对称模与反对成模有效折射率之差 1. 基本光波导单元结构-定向耦合器

University of Electronic Science and Technology of China 1.基本光波导单元结构-定向耦合器 1956 耦合系数的计算： s(N2-N)(E,E)dxedy .·(EnxH+E,×H,)kd (5-13) 方法1：根据场分布表达式利用5-13式积分计算，适用于 矩形波导。 方法2：利用软件（如COMSOL)求解场分布，然后联合 Matlab利用5-13式编程计算，适用于所有波导。 方法3：利用软件（如COMSOL)求解偶模与奇模的传播 常数，然后利用5-125式计算，适用于所有波导。 方法3：利用软件（如OptBPM)建模仿真得到耦合长度， 然后得到等效耦合系数，适用于多数波导。 10

University of Electronic Science and Technology of China 10 耦合系数的计算： 方法1：根据场分布表达式利用5-13式积分计算，适用于 矩形波导。 方法2：利用软件（如COMSOL）求解场分布，然后联合 Matlab利用5-13式编程计算，适用于所有波导。 方法3：利用软件（如COMSOL）求解偶模与奇模的传播 常数，然后利用5-125式计算，适用于所有波导。 方法3：利用软件（如OptBPM）建模仿真得到耦合长度， 然后得到等效耦合系数，适用于多数波导。 1. 基本光波导单元结构-定向耦合器 u E H E H dxdy N N E E dxdy z p p p p q p q pq ( ) ( )( ) * * 2 2 * 0          +  −  =      −  −  −  −    (5-13)