集成光學(xué)第二章第7節(jié)

1、2.7 光束耦合器,2.7.1 棱鏡耦合器,用夾具將一高折射率的棱鏡壓在平板波導(dǎo)上，棱鏡底部與薄膜波導(dǎo)的表面之間有一很窄的空氣間隙（或折射率匹配液），構(gòu)成棱鏡波導(dǎo)耦合系統(tǒng)。,實(shí)現(xiàn)有效耦合應(yīng)滿足的條件：,（1）在光波沿波導(dǎo)傳輸?shù)膠方向上，棱鏡中光波矢量的z分量應(yīng)該和波導(dǎo)中光波波矢的z分量，及波導(dǎo)導(dǎo)模的傳播常數(shù)相等，這就是相位匹配條件。,（2）為了保證耦合的效果，提高能量交換效率，必須根據(jù)耦合強(qiáng)度來調(diào)節(jié)沿耦合邊界的長度。,（z方向）的傳輸常數(shù) 為,由斯涅耳定理，,根據(jù)耦合模理論，棱鏡模和導(dǎo)波模之間的耦合長度（沿z方向） 應(yīng)滿足,相互作用長度由入射光的光束有效寬度決定，即,實(shí)現(xiàn)輻射模導(dǎo)模的100完全

2、耦合所需要的耦合系數(shù)為,（3）為提高耦合效率，還可以在棱鏡與光波導(dǎo)之間滴入匹配液，如水（n=1.33）、甘油（n=1.47）、二碘甲烷（n=1.74）,(3)由于棱鏡耦合器入射光必須高度對準(zhǔn)，很難用半導(dǎo)體激光器激勵。,玻璃,2.7.2光柵耦合器,功能與棱鏡耦合器類似，用于實(shí)現(xiàn)自由空間和平面介質(zhì)光波導(dǎo)之間的耦合，不同的是棱鏡和間隙介質(zhì)被光柵薄膜代替。,光柵的作用:,無光柵時，不可能將入射光束耦合進(jìn)波導(dǎo)而形成導(dǎo)模。加入光柵后，由于光柵的周期性，在具有周期性結(jié)構(gòu)的薄膜光波導(dǎo)（簡稱光柵波導(dǎo)）的導(dǎo)模沿z方向傳播時，每一個基本傳播模式的波場都受到周期的調(diào)制，或者說光柵對導(dǎo)模產(chǎn)生了微擾，其作用相當(dāng)于改變了入

3、射光波的相位，這種相位微擾可以通過下式表示出來，即,沒有光柵覆蓋時的m階導(dǎo)波模的傳播常數(shù),光柵周期,引入光柵后，可以同時滿足相位匹配條件和導(dǎo)波條件，入射光束就能被耦合進(jìn)入波導(dǎo)，并激勵起相應(yīng)的導(dǎo)模。,光柵耦合器的優(yōu)點(diǎn)：,1) 不受光波導(dǎo)折射率大小的限制。 2) 可以選擇所有導(dǎo)模中的任意一種進(jìn)行激勵。 3) 可以與波導(dǎo)集成。震動或外界環(huán)境的變化，不會改變耦合效率，穩(wěn)定性好，體積小，價格便宜。 4) 調(diào)整光束的入射位置時不需要特別嚴(yán)格的精度。 5) 也可以在橫向進(jìn)行同樣的耦合，因此可以激勵寬度非常大的波導(dǎo)光。,光柵耦合器的缺點(diǎn)：,1)由于光柵耦合與入射光角度的高度相干性，光柵耦合器不能有效地用于發(fā)散

4、光束的耦合； 2) 光柵耦合器設(shè)計(jì)過程需要進(jìn)行復(fù)雜的理論計(jì)算，而且制作比較困難； 3) 器件的參數(shù)在制作后無法進(jìn)一步調(diào)整； 4) 對于條形波導(dǎo)，光束截面的匹配比較困難。,光柵耦合器的主要應(yīng)用：,既可用作光束輸入耦合器，也可用作光束輸出耦合器，既可以用半導(dǎo)體波導(dǎo)，也可以用其他任何薄膜波導(dǎo)，而且這種光柵既可以直接制作在波導(dǎo)表面，也可以將其他材料制成的光柵放置在波導(dǎo)表面上。,2.7.3 尖劈形薄膜耦合器,進(jìn)入錐形區(qū)域的光線在上下界面每往返一次，它在下界面的入射角就要減小；經(jīng)多次反射后，在下界面的入射角等于全反射臨界角時，光線就開始折射入襯底內(nèi)。,優(yōu)點(diǎn)：制作簡單，可以實(shí)現(xiàn)有效的輸出耦合。 缺點(diǎn)：用于輸

5、入耦合時，很難獲得高的效率。,2.7.4 橫向耦合器,在與波導(dǎo)光行進(jìn)方向垂直的光波導(dǎo)端面上，射入與光波導(dǎo)波模的波場分布形式和范圍接近的光波。,這種耦合方式適用于各類器件的光耦合，原則上都可以達(dá)到最佳耦合效率，但要滿足三個條件： (1)入射光束的幾何形狀和強(qiáng)度分布要與波導(dǎo)中導(dǎo)波的幾何形狀和強(qiáng)度分布相對應(yīng)。 (2)激光器輸出與波導(dǎo)之間必須高度準(zhǔn)直。 耦合效率隨激光器與波導(dǎo)中心的相對位置而變化，并且存在一個最佳位置，在這一位置時耦合效率最高。 (3)激光器和波導(dǎo)之間應(yīng)保持一最佳距離。,1. 直接聚焦（direct focusing, or end-fire）,入射光束的幅度分布,導(dǎo)波的幅度分布,常用于氣體激光束與波導(dǎo)基模的耦合！,2. 端接耦合（end-butt coupling）,normalization,reflection,overlap,area mismatch,作業(yè),1. 證明：在厚度為2d的對稱波導(dǎo)中，要傳輸m階模的導(dǎo)波，波導(dǎo)層和襯底材料的折射率差必須滿足 2. 用鈦酸鍶棱鏡（折射率np=2.32）作為輸出耦合器，將真空