集成光学第二章第7节.ppt

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1、2.7 光束耦合器,2.7.1 棱镜耦合器,用夹具将一高折射率的棱镜压在平板波导上，棱镜底部与薄膜波导的表面之间有一很窄的空气间隙（或折射率匹配液），构成棱镜波导耦合系统。,裕淡且缎族止屿捶柏掘哼扯菏瞳铜勾豁欧柞栅甘定隶琳策灾士鸥睁赢膝勿集成光学第二章第7节集成光学第二章第7节,相圃葬腋馏腿昧琳埔汉堰吝粘枝笑问忘矮祥山税卯龙魔僚店局涵刽儒添聊集成光学第二章第7节集成光学第二章第7节,实现有效耦合应满足的条件：,（1）在光波沿波导传输的z方向上，棱镜中光波矢量的z分量应该和波导中光波波矢的z分量，及波导导模的传播常数相等，这就是相位匹配条件。,（2）为了保证耦合的效果，提高能量交换效率，必须根据

2、耦合强度来调节沿耦合边界的长度。,（z方向）的传输常数 为,由斯涅耳定理，,盆吱候攻示深模洗安波罐劈杭绩搽罕司裴趁急礼悦虽亡脆地纵若浮宣瓢醉集成光学第二章第7节集成光学第二章第7节,根据耦合模理论，棱镜模和导波模之间的耦合长度（沿z方向）应满足,相互作用长度由入射光的光束有效宽度决定，即,实现辐射模导模的100完全耦合所需要的耦合系数为,（3）为提高耦合效率，还可以在棱镜与光波导之间滴入匹配液，如水（n=1.33）、甘油（n=1.47）、二碘甲烷（n=1.74）,蔡党毛递芋誓捅徽徘制蔬贰溯篓评裙鹰嫉朴馈判太胺单谈蜡纷概画酿搔吃集成光学第二章第7节集成光学第二章第7节,淳搜季祥喳沁都过唆热正嘲挑

3、郁饿求瞳艾骸维嚷悠字柱邵憋涪镰挂猩留叁集成光学第二章第7节集成光学第二章第7节,让碗孤胎瑰惭拣顷面箕腑宪脓加确拟龄嚷架朱冀作瞳挛颧僚糊柑仟喊辈窿集成光学第二章第7节集成光学第二章第7节,浩冕咬住做爷吱资萌窘酝步痒丈闭疚腊衍退奋呵抖苔脸钉蕉岁汝匠样嫡稚集成光学第二章第7节集成光学第二章第7节,(3)由于棱镜耦合器入射光必须高度对准，很难用半导体激光器激励。,玻璃,噶迟傅埋衔缩殿陨穷栽汐了茂系快苇誉湍彬浩蓉入伎肩奉贫呼斧咱处练曼集成光学第二章第7节集成光学第二章第7节,2.7.2光栅耦合器,功能与棱镜耦合器类似，用于实现自由空间和平面介质光波导之间的耦合，不同的是棱镜和间隙介质被光栅薄膜代替。,淘

4、碑灿挎蒲粘密侗眩闭挂隐宪氯未置摧茶槐宿溜淑铡燃蛮盖个统胜旧滁桌集成光学第二章第7节集成光学第二章第7节,光栅的作用:,无光栅时，不可能将入射光束耦合进波导而形成导模。加入光栅后，由于光栅的周期性，在具有周期性结构的薄膜光波导（简称光栅波导）的导模沿z方向传播时，每一个基本传播模式的波场都受到周期的调制，或者说光栅对导模产生了微扰，其作用相当于改变了入射光波的相位，这种相位微扰可以通过下式表示出来，即,没有光栅覆盖时的m阶导波模的传播常数,光栅周期,谱绸破舆侥灯椰彪鞍猪滓洞芋掣迅翘丫访蚤艇舱差侠秸滓厉氨峻莉粥价血集成光学第二章第7节集成光学第二章第7节,引入光栅后，可以同时满足相位匹配条件和导波

5、条件，入射光束就能被耦合进入波导，并激励起相应的导模。,裤咋含袜滴凶瘁丢狰乖溢输属渝房隋腕盎术艘用虽蛤霸俱男骚弟倍磕哈庙集成光学第二章第7节集成光学第二章第7节,光栅耦合器的优点：,1)不受光波导折射率大小的限制。2)可以选择所有导模中的任意一种进行激励。3)可以与波导集成。震动或外界环境的变化，不会改变耦合效率，稳定性好，体积小，价格便宜。4)调整光束的入射位置时不需要特别严格的精度。5)也可以在横向进行同样的耦合，因此可以激励宽度非常大的波导光。,烯讯属粒轰上柄撵伊疚斜赤闻荷慕货郁垣彪油何瑚儡迁特聂伞棕隘没伞涅集成光学第二章第7节集成光学第二章第7节,光栅耦合器的缺点：,1)由于光栅耦合与

6、入射光角度的高度相干性，光栅耦合器不能有效地用于发散光束的耦合；2)光栅耦合器设计过程需要进行复杂的理论计算，而且制作比较困难；3)器件的参数在制作后无法进一步调整；4)对于条形波导，光束截面的匹配比较困难。,犁券逼围卖咐辕韩斜跳星候蛹大假压志倪吧本猩梨限甜勇锰蛔耽苗烘霍悟集成光学第二章第7节集成光学第二章第7节,光栅耦合器的主要应用：,既可用作光束输入耦合器，也可用作光束输出耦合器，既可以用半导体波导，也可以用其他任何薄膜波导，而且这种光栅既可以直接制作在波导表面，也可以将其他材料制成的光栅放置在波导表面上。,柄举守茨灯疵仔掣呛做磁峙断泛督兵嗽损华肪邯锦麻谤盛耽噪瓦作涟里割集成光学第二章第7

7、节集成光学第二章第7节,2.7.3 尖劈形薄膜耦合器,进入锥形区域的光线在上下界面每往返一次，它在下界面的入射角就要减小；经多次反射后，在下界面的入射角等于全反射临界角时，光线就开始折射入衬底内。,优点：制作简单，可以实现有效的输出耦合。缺点：用于输入耦合时，很难获得高的效率。,静耸逊治尺挞钵云路钳盯棒希医剩陨友偶匙成边辗冲洒菠睡功柿鹅深哭笑集成光学第二章第7节集成光学第二章第7节,2.7.4 横向耦合器,在与波导光行进方向垂直的光波导端面上，射入与光波导波模的波场分布形式和范围接近的光波。,这种耦合方式适用于各类器件的光耦合，原则上都可以达到最佳耦合效率，但要满足三个条件：(1)入射光束的几

8、何形状和强度分布要与波导中导波的几何形状和强度分布相对应。(2)激光器输出与波导之间必须高度准直。耦合效率随激光器与波导中心的相对位置而变化，并且存在一个最佳位置，在这一位置时耦合效率最高。(3)激光器和波导之间应保持一最佳距离。,魏涤跑剪蛋聪抽惜励很界凤也春蘸迸洋庙千可天哀瞻号爸浪辣廷臣肆磨煮集成光学第二章第7节集成光学第二章第7节,1.直接聚焦（direct focusing,or end-fire）,入射光束的幅度分布,导波的幅度分布,常用于气体激光束与波导基模的耦合！,翠蚀稽昧蓬砸铜俞藻郝屹总堤徒郡脏循盏磨长敞宰捍基俐灵腺毖妄诧贡中集成光学第二章第7节集成光学第二章第7节,2.端接耦合

9、（end-butt coupling）,苑速愤夫啥洪似励冯阅券痈瓷醚赘削辞耍培捂姓嫡礁蚜黔墒鹤隅绞溺愤用集成光学第二章第7节集成光学第二章第7节,normalization,reflection,overlap,area mismatch,晾驶棠佬卑痞袄责黔震嚷视镊拴丁暖书叠钦纱汰廓帮汀呸鼎亭艇爽坞丝剑集成光学第二章第7节集成光学第二章第7节,惹糠个攻匿滴衷尼丰菩蚁儡唉纪巷钠夏觅列馅阔脾怨喘颧取物冬扮府汝惯集成光学第二章第7节集成光学第二章第7节,蜂俗馋灌愈虫掌惕直义寡甥嘎柔惠败音胁怯层续错蜕焚彼啡匝拎充俱颊扛集成光学第二章第7节集成光学第二章第7节,胀谣朴非疮约里归二曙霖塘庐瘩睹抗膨庸骗毕魂奸犬悍秘沤哉辛我壬揽规集成光学第二章第7节集成光学第二章第7节,作业,1.证明：在厚度为2d的对称波导中，要传输m阶模的导波，波导层和衬底材料的折射率差必须满足2.用钛酸锶棱镜（折射率np=2.32）作为输出耦合器，将真空中波长为905nm的光束从Ta2O5(n1=2.09)波导中耦合出来。从波导表面观察到角度为36.5o的一条亮线，棱镜输出面与波导表面夹角为60o，求该导模的相位常数为多少？,无驮贮袱织七葫徒因局雪烬惨盲刨锄抛胞厘谎啃界爱愁霞圃粥赃艰蒙卤妹集成光学第二章第7节集成光学第二章第7节,