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），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)。構(gòu)成棱鏡波導(dǎo)耦合系統(tǒng)。 實現(xiàn)有效耦合應(yīng)滿足的條件：實現(xiàn)有效耦合應(yīng)滿足的條件：（1）在光波沿波導(dǎo)傳輸?shù)模┰诠獠ㄑ夭▽?dǎo)傳輸?shù)膠方向上，棱鏡中光波矢量的方向上，棱鏡中光波矢量的z分量應(yīng)分量應(yīng)該和波導(dǎo)中光波波矢的該和波導(dǎo)中光波波矢的z分量，及波導(dǎo)導(dǎo)模的傳播常數(shù)分量，及波導(dǎo)導(dǎo)模的傳播常數(shù)相等，相等，這就是相位匹配條件。這就是

2、相位匹配條件。002sinsinppk nn（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）為了保證耦合的效果，提高能量交換效率，必須根據(jù)耦合強度來調(diào)節(jié)沿耦合邊界的長度。強度來調(diào)節(jié)沿耦合邊界的長度。棱鏡中以棱鏡中以角度將光束入射到棱鏡底面，該光波沿波導(dǎo)方向角度將光束入射到棱鏡底面，該光波沿波導(dǎo)方向（z方向）的傳輸常數(shù)方向）的傳輸常數(shù) 為為002sinsinppk nn由斯涅耳定理，由斯涅耳定理， 0sinsinpnn根據(jù)耦合模理論，棱鏡模和導(dǎo)波模之間的耦合長度（沿根據(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）方向）應(yīng)滿足應(yīng)滿足 2kl相互作用長度由入射光的光束有效寬度決定，

3、即相互作用長度由入射光的光束有效寬度決定，即 coswl實現(xiàn)輻射模導(dǎo)模的實現(xiàn)輻射模導(dǎo)模的100完全耦合所需要的耦合系數(shù)為完全耦合所需要的耦合系數(shù)為cos2kw（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，）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（如水（n=1.33）、甘油（）、甘油（n=1.47）、二碘甲烷（）、二碘甲烷（n=1.74）(3)由于棱鏡耦合器入射光必須高度對準，很難用半導(dǎo)體激光器由于棱鏡耦合器入射光必須高度對準，很難用半導(dǎo)體激光器激勵。激勵。玻璃玻璃2.7.2光柵耦合器光柵耦合器功能與棱鏡耦合器類似，用于實現(xiàn)自由空間和平面介質(zhì)光波功能與棱鏡耦合器類似

4、，用于實現(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。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。 光柵的作用光柵的作用:無光柵時，不可能將入射光束耦合進波導(dǎo)而形成導(dǎo)模。加入無光柵時，不可能將入射光束耦合進波導(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，其作用相當于改變了

5、入射光波的相位，這種相位微擾可擾，其作用相當于改變了入射光波的相位，這種相位微擾可以通過下式表示出來，即以通過下式表示出來，即2(0, 1, 2)vm 沒有光柵覆蓋時的沒有光柵覆蓋時的m階導(dǎo)波模階導(dǎo)波模的傳播常數(shù)的傳播常數(shù) 光柵周期光柵周期 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入波導(dǎo)，并激勵起相應(yīng)的導(dǎo)模。射光束就能被耦合進入波導(dǎo)，并激勵起相應(yīng)的導(dǎo)模。 is 通過這種光柵耦合器，光束分別以傳輸角通過這種光柵耦合器，光束分別以傳輸角和和向空氣一側(cè)或向襯底一側(cè)傾斜，且有關(guān)系向空氣一側(cè)或向襯底一側(cè)傾斜，且有關(guān)系 0020

6、022sinsinismeffk nn kn k光柵耦合器的優(yōu)點：光柵耦合器的優(yōu)點： 1) 不受光波導(dǎo)折射率大小的限制。不受光波導(dǎo)折射率大小的限制。2) 可以選擇所有導(dǎo)模中的任意一種進行激勵?？梢赃x擇所有導(dǎo)模中的任意一種進行激勵。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。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格的精度。調(diào)整光束的入射位置時不需要特別嚴格的精度。5) 也可以在橫向進行同樣的耦合，因此可以激勵寬也可以在橫向進行同樣的耦合，因此可以激勵寬度非常大的波導(dǎo)光

7、。度非常大的波導(dǎo)光。光柵耦合器的缺點：光柵耦合器的缺點： 1)由于光柵耦合與入射光角度的高度相干性，光柵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)散光束的耦合；耦合器不能有效地用于發(fā)散光束的耦合；2) 光柵耦合器設(shè)計過程需要進行復(fù)雜的理論計算，光柵耦合器設(shè)計過程需要進行復(fù)雜的理論計算，而且制作比較困難；而且制作比較困難；3) 器件的參數(shù)在制作后無法進一步調(diào)整；器件的參數(shù)在制作后無法進一步調(diào)整；4) 對于條形波導(dǎo)，光束截面的匹配比較困難。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：光柵耦合器的主要應(yīng)用： 既可用作光束輸入耦合器，也可用作光束既可用作光束輸入耦

8、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。材料制成的光柵放置在波導(dǎo)表面上。 2.7.3 尖劈形薄膜耦合器尖劈形薄膜耦合器進入錐形區(qū)域的光線在上下界面每往返一進入錐形區(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??；經(jīng)多次，它在下界面的入射角就要減?。唤?jīng)多次反射后，在下界面的入射角等于全反射次反射后，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)。臨界角

9、時，光線就開始折射入襯底內(nèi)。優(yōu)點：制作簡單，可以實現(xiàn)有效的輸出耦合。優(yōu)點：制作簡單，可以實現(xiàn)有效的輸出耦合。缺點：用于輸入耦合時，很難獲得高的效率。缺點：用于輸入耦合時，很難獲得高的效率。2.7.4 橫向耦合器橫向耦合器在與波導(dǎo)光行進方向垂直的光波導(dǎo)端面上，射入與光波導(dǎo)在與波導(dǎo)光行進方向垂直的光波導(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。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，原則上都可以這種耦合方式適用于各類器件的光耦合，原則上都可以達到最佳耦合效率，但要滿足三個條件：達到最佳耦合效率，但要滿足三個條件：(1)入射光束的幾何形狀和強度分布要與波

10、導(dǎo)中導(dǎo)波的幾入射光束的幾何形狀和強度分布要與波導(dǎo)中導(dǎo)波的幾何形狀和強度分布相對應(yīng)。何形狀和強度分布相對應(yīng)。(2)激光器輸出與波導(dǎo)之間必須高度準直。激光器輸出與波導(dǎo)之間必須高度準直。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。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。激光器和波導(dǎo)之間應(yīng)保持一最佳距離。1. 直接聚焦（直接聚焦（direct focusing, or end-fire） dxxbxbdxxaxadxxbxammmm*2*入射光束的幅度分布入射光束

11、的幅度分布導(dǎo)波的幅度分布導(dǎo)波的幅度分布常用于氣體激光束與常用于氣體激光束與波導(dǎo)基模的耦合！波導(dǎo)基模的耦合！2. 端接耦合（端接耦合（end-butt coupling）2cos1112cos1642222222mtttmtttnnnnmlglglgglglnormalizationreflectionoverlaparea mismatchltxppcos0作業(yè)作業(yè) 1. 證明：在厚度為證明：在厚度為2d的對稱波導(dǎo)中，要傳輸?shù)膶ΨQ波導(dǎo)中，要傳輸m階模的導(dǎo)波，階模的導(dǎo)波，波導(dǎo)層和襯底材料的折射率差必須滿足波導(dǎo)層和襯底材料的折射率差必須滿足 2. 用鈦酸鍶棱鏡（折射率用鈦酸鍶棱鏡（折射率np=2.32）作為輸出耦合器，將）作為輸