耦合模理论及器件.pptx

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包分界面不均匀芯子直径纵向变化芯子直径纵向变化 纵向不均匀纵向不均匀制作不完善制作不完善使用时引入使用时引入重力影响导致的光纤纵向受力不均，引起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几何尺寸和折射率分布不均匀人为引入：光纤光栅，人为引入：光纤光栅，重要的光纤器件！重要的光纤器件！理想波导理想波导均匀均匀实际波导实际波导不均匀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纵向非均匀光波导的处理方法已知已知模式的完备性缓变函数模式展开模式展开忽略忽略耦合方程耦合方程耦合系数：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，波导的纵向非均匀性引起了各传导模式之间的耦合，随着模式在波导内的传输，各模式交换携带的能量随着模式在波导内的传输，各模式交换携带的能量模式耦合方程！模式耦合方程！乘乘横截面积分&模式正交性，且两波导之间的横向耦合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，在其奇数倍长度耦合长度，在其奇数倍长度处也可实现完全耦合处也可实现完全耦合光耦合器件光耦合器件1光耦合器2Mach-Zehnder干涉仪3Mach-Zehnder型电光调制器4Interleaver光滤波器5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）光耦合器件（一）耦合器耦合器功能：对同一波长的光功率进行分路或合路类型：Y型、X型22耦合器、1N型、MN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熔锥型光纤耦合器光功率的分配 耦合光功率耦合光功率P P2 2跟以下参数有关：跟以下参数有关：拉伸区长度拉伸区长度2L+W2L+W拉伸区内逐渐变小的光纤半径拉伸区内逐渐变小的光纤半径r r耦合区中两根光纤的半径差耦合区中两根光纤的半径差DrDr总拉伸长度总拉伸长度光约束在光约束在纤芯中传播纤芯中传播光纤半径减小光纤半径减小V V明显减小明显减小部分光在部分光在纤芯外传播纤芯外传播发生耦合发生耦合P P3 3P P1 1P P2 2P P0 0光输入光输入后向反后向反(散散)射光射光直通功率直通功率耦合功率耦合功率火焰宽度决定火焰宽度决定拉伸时决定拉伸时决定光纤耦合器的散射矩阵表示法光纤耦合器的散射矩阵表示法其中S为散射矩阵，sij=|sij|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熔融拉锥型耦合器的特点 优点：优点：(1)(1)极低的附加损耗，目前利用熔锥法制作的标准极低的附加损耗，目前利用熔锥法制作的标准X(X(或或Y)Y)型耦合器型耦合器的附加损耗已低于的附加损耗已低于0.05dB0.05dB。(2)(2)方向性好。这类器件的方向性指标一般都超过方向性好。这类器件的方向性指标一般都超过0dB0dB，保证了传，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。输信号的定向性，并极大地减少了线路之间的串扰。(3)(3)良好的环境稳定性。在经过适当保护后，受环境条件的影响可良好的环境稳定性。在经过适当保护后，受环境条件的影响可以限制到很小的程度。以限制到很小的程度。(4)(4)控制方法简单、灵活。可以方便地改变器件的性能参数。控制方法简单、灵活。可以方便地改变器件的性能参数。(5)(5)制作成本低廉、适于批量生产。制作成本低廉、适于批量生产。缺点：缺点：(1)(1)波长依赖性波长依赖性(2)(2)不便于大规模集成不便于大规模集成波导型耦合器波导型耦合器沉积、光刻、扩散。缺点缺点:(1)(1)价格高，一般为拉锥型耦合器的几倍价格高，一般为拉锥型耦合器的几倍(2)(2)插入损耗大插入损耗大耦合器的应用耦合器的应用主要用途主要用途：功率分配功率分配PASSIVESPLITTER光耦合器件（二）光耦合器件（二）Mach-Zehnder干涉仪干涉仪证明：当时，经过中间单模光纤的传输经过中间单模光纤的传输：Mach-Zehnder干涉仪的通带特性干涉仪的通带特性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光的强度。光耦合器件（三）光耦合器件（三）Mach-ZehnderMach-Zehnder型电光调制器型电光调制器2Mach-ZehnderMach-Zehnder型电光调制器型电光调制器xy为调制器两臂对光引入的相位为调制器两臂对光引入的相位差，差，驱动电压将改变调制器两臂的驱动电压将改变调制器两臂的折射率，改变折射率，改变，进而改变输出，进而改变输出光功率，实现调制光功率，实现调制LiNbO3晶体具有电光效应，即折晶体具有电光效应，即折射率会随着施加电压而改变射率会随着施加电压而改变Y形波导形波导:将光分成功率相等的两路将光分成功率相等的两路Ti-LiNbO3波导波导共平面条形电极共平面条形电极VV /2/2VV VVt调制电压调制电压调制电压调制电压透射光强透射光强透射光强透射光强电光调制的透过率电光调制的透过率(调制器被偏置在调制器被偏置在VV/2/2点上点上)偏置电压的选择很重要！偏置电压的选择很重要！偏置电压的选择很重要！偏置电压的选择很重要！29消光比可以超过20dB驱动电压：3-5V最高调制带宽已达5GhzMach-ZehnderMach-Zehnder型电光调制器型电光调制器是目前光通信系统中最为是目前光通信系统中最为是目前光通信系统中最为是目前光通信系统中最为常用的调制器常用的调制器！常用的调制器！常用的调制器！光耦合器件（四）光耦合器件（四）Interleaver 滤波器滤波器使用Interleaver的目的是为实现50 GHz间隔的密集波分系统同时避免器件技术的过分复杂和太高成本。Interleaver的作用就是交错滤波，Interleaver复用器是将两路分别包含多个波长的光信号合并成一路波长间隔减半的光信号；解复用是将一路多波长信号分成两路，一路包含奇数路波长，另一路包含偶数路波长，间隔倍增。Interleaver 滤波器的通带特性滤波器的通带特性Interleaver 滤波器的应用实例滤波器的应用实例Interleaver的使用，使系统建成初期可以先采用较大的信道间隔，当业务量逐渐增加时，通过增加#2，#3等波分复用器和解复用设备逐渐减小信道间隔，提升系统容量。原理都是级联MZI，但实现技术不同原理都是级联MZI，但实现技术不同Interleaver的的典型实现技术典型实现技术Interleaver的典型实现技术的典型实现技术级联级联MZI多多级级MZIMZI输输出出端端口口的的光光信信号号由由光光从从输输入入端端口口到到输输出出端端口口的的所所有有路路径径通通过过的的分分量量组组成成，每每一一条条路路径径构构成成通通带带响响应应FourierFourier级级数数展展开开式式中中的的一一个个谐波项谐波项通通过过对对各各个个MZIMZI两两臂臂长长度度的的选选择择，级级联联MZIMZI可可以以获获得得F(F()表表示示的的通通带带响响应应，类类似似于于方方波波信信号的傅氏级数展开式。号的傅氏级数展开式。F(F()展展开开式式中中的的各各项项系系数数由由各各个个耦耦合合器器的的耦耦合合比比决决定定，此此处处C1,C2,C3,C4C1,C2,C3,C4的的耦耦合合比比分分别为别为50%50%，50%50%，3%3%，3%3%通过对级联通过对级联MZIMZI臂长及耦臂长及耦合器耦合比的选择获得了合器耦合比的选择获得了平坦的通带光谱特性平坦的通带光谱特性Interleaver的典型实现技术的典型实现技术级联级联MZI光耦合器件（五）光耦合器件（五）微谐振环滤波器微谐振环滤波器微谐振环示意图微谐振环示意图微环的谐振条件：微环结构的谐振效应使其具有独特的波长选择、高Q因子等特性，并且由于其结构紧凑的特点，使其在光分插复用器，调制器，光开关，光延时线，色散补偿器等领域具有广泛应用。微谐振环通常制作在光波导上，由环半径为几十微米到几百微米的环形波导和直波导相互耦合构成，既可以是只有一个环的简单结构，也可以有多个环通过串联、并联等方式构成阵列。微谐振环的结构微谐振环的结构 为去谐频率，为去谐频率，f f0 0为谐为谐振频率，振频率，m m为谐振阶次为谐振阶次 自由光谱范围，是 滤波器的两个连续 通带间的频率范围微谐振环滤波器微谐振环滤波器耦合耦合A为损耗系数Lc为环形波导周长t为透射系数k为耦合系数微谐振环滤波器性能分析（一）微谐振环滤波器性能分析（一）无损时下话路的相对输出功率无损时下话路的相对输出功率 微微谐谐振振环环仅仅支支持持在在谐谐振振腔腔内内完完成成总总相相移移为为2 2整整数数倍倍的的那那些些波波长长从从下下话话路路输输出出，这这些些波波长长即即为为谐谐振振器的谐振波长，可表示为：器的谐振波长，可表示为：微谐振环滤波器性能分析（二）微谐振环滤波器性能分析（二）下话路的传输特性通路的传输特性为带通特性为带阻特性在环内损耗相同的情况下，耦合系数越大，带宽越宽；在耦合系数相同的情况下，损耗越小，谐振时输出幅度越大。微谐振环滤波器性能分析（三）微谐振环滤波器性能分析（三）传输函数是周期性函数，耦合系数越小，通带特性越尖为了获得更好的通带特性（例如更宽更加平坦的通带特性），可以将谐振腔串行排列，也可以并行排列，或者串并结合。光耦合器件（六）光耦合器件（六）聚合物微谐振环电光调制器聚合物微谐振环电光调制器掺杂发色团的有机聚合物在极化之后具有一定的电光效应这里假设我们将得到：聚合物微谐振环电光调制器聚合物微谐振环电光调制器假设光的极化沿Z轴，那么这种经过极化调制的折射率可由下式给出：V是加到器件上的电压。聚合物微谐振环电光调制器的结构聚合物微谐振环电光调制器的结构电极结构与环形波导共形，以达到微波在电极中的相速度与光波在聚合物波导中的相速度更好的匹配行波电极聚合物微谐振环电光波行波电极聚合物微谐振环电光波导调制器结构示意图导调制器结构示意图调制器波导截面示意图调制器波导截面示意图聚合物芯层由具有电光效应的聚合波导材料构成，下包层和上包层由无源聚合物波导材料构成微谐振环进行调制的示意图微谐振环进行调制的示意图通过调节微环的折射率，可以改变微环的谐振波长，则固定波长光的通过率发生变化，进而实现调制微谐振环调制器透微谐振环调制器透过率与电压的关系过率与电压的关系聚合物微谐振环电光调制器的调制原理聚合物微谐振环电光调制器的调制原理DWDMDWDM系统中的微环调制器系统中的微环调制器微环调制器的一个很大特点是具有波长选择性，每个微环只调制与其谐振波长非常接近的波长，在一个芯片上可以调制很多波长的光。可调制的波长数由其FSR决定，FSR越大，可调制的波长数越多。聚合物微谐振环电光调制器的其他特点聚合物微谐振环电光调制器的其他特点与M-Z电光调制器相比，由于谐振增强效应，在相同结构参数的条件下，微环谐振腔调制器的调制灵敏度可以提高几倍，相应的，为了达到相同的调制灵敏度所需电极长度只需M-Z调制器的几分之一。由于微谐振环的滤波曲线为周期性的，所以具有某些特殊的性能。总结总结简单证明了弱耦合理论利用弱耦合理论证明推导了M-Z干涉仪的滤波特性介绍了Interleaver的作用，并分析了级联MZI制作Interleaver的原理分析了M-Z型铌酸锂调制器的结构与特点。利用耦合模理论推导了微谐振环的滤波性能。简单分析了微谐振环调制器的工作原理及特点