實(shí)驗(yàn)三：集成波導(dǎo)馬赫

實(shí)驗(yàn)三：集成波導(dǎo)馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模赫莆誐ZI的干涉原理掌握MZI干涉儀的基本結(jié)構(gòu)和仿真方法二、實(shí)驗(yàn)原理：MZI干涉原理基于兩個(gè)相干單色光經(jīng)過(guò)不同的光程傳輸后的干涉理論。MZI主要由前后兩個(gè)3dB定向耦合器和一個(gè)可變移相器組成。最終使不同的兩個(gè)波長(zhǎng)分別沿兩個(gè)不同的端口輸出。其結(jié)構(gòu)示意圖如下所示：圖1MZI干涉原理簡(jiǎn)圖馬赫-曾德干涉結(jié)構(gòu)可用做光調(diào)制器，也可用做光濾波器。1、馬赫-曾德干涉儀的分光原理:設(shè)兩耦合器的相位因子分別為氣,中2,當(dāng)干涉儀一輸入端注入強(qiáng)度為10（以電場(chǎng)強(qiáng)度表示為E）光波時(shí)，可以推出兩個(gè)輸出端的光場(chǎng)強(qiáng)度1,1（以電場(chǎng)強(qiáng)度分別表示為E,E）01212分別為：I=E|2=|e|2cos2（9+中）+sin（2中）sin（2中）sin2（p口L/2）］I=\E|2=|EI2^sin2（9一9）+sin（29）sin（29）cos2（p口L/2）］式中，圈傳輸常數(shù)；AL=%一L為干涉儀兩臂的長(zhǎng)度差，它在干涉儀兩臂之間引入的相位差：PAL=2mnAL/C=2m/F。（u為光的頻率；n為光纖纖心的折射率：C為真空中的光速；F=C/nAL為馬赫一曾德干涉儀的自由程。當(dāng)構(gòu)成干涉儀的兩耦合器均為標(biāo)準(zhǔn)的3dB耦合器（即分光比為1:1）時(shí)，兩耦合器的相位因子為450,可以得到干涉儀輸出端的強(qiáng)度傳輸系數(shù)分別如下：II07^J2=-h-cos（2兀u/F）］\EI220II0T=。=段=-11+cos(2兀u/F)]

2匕I引22圖2給出了強(qiáng)度傳輸系數(shù)隨輸入光頻率的變化曲線：V]輪V圖2V]輪V從圖2可以看出，兩個(gè)輸出端的強(qiáng)度傳輸系數(shù)正好是反相的，也就是說(shuō)，當(dāng)在干涉儀的一個(gè)輸入端注入單一頻率的光波時(shí)，調(diào)節(jié)干涉儀使一個(gè)輸出端輸出光強(qiáng)度達(dá)到最大時(shí)，則另一輸出端輸出光強(qiáng)度將達(dá)到最小。另外，根據(jù)圖2,還可以得到一個(gè)重要的結(jié)論：當(dāng)在干涉儀一個(gè)輸入端同時(shí)注入兩個(gè)頻率分別為u,u的光波時(shí)，如果二者的頻差A(yù)u=u-u與干涉儀自由程F滿足關(guān)系式Au=(K+1/2)F(K=0,1,2,…)，則可以實(shí)現(xiàn)兩21個(gè)頻率不同的光波分別在不同的輸出端輸出，即實(shí)現(xiàn)不同頻率光波的分離。2、馬赫-曾德干涉儀的濾波原理馬赫-曾德濾波器結(jié)構(gòu)如圖3所示：A圖3馬赫-曾德干涉儀濾波器原理圖輸入光功率P經(jīng)第一個(gè)3dB耦合器等分為P和P兩部分，他們分別在長(zhǎng)度為L(zhǎng)和ii1i21L2的光波導(dǎo)中傳輸后，經(jīng)過(guò)第二個(gè)3dB耦合器合在一起。設(shè)輸入光功率P泛E?E*，則輸入光的電場(chǎng)強(qiáng)度可以表示為：iiiE—Aei^ti其中，；表示光的偏振方向上的單位矢量。經(jīng)過(guò)第一個(gè)3dB耦合器將輸入光分成兩束，每

束光功率可表示為:束光功率可表示為:ccA2ii—i2—~2假設(shè)經(jīng)過(guò)L1和L2的傳輸后，兩束光的偏振方向保持不變，則他們的電場(chǎng)強(qiáng)度分別為:A.E=—^2ei^（t-L1/vh；E=em（t-Ljv）i式中v為波導(dǎo)中光的傳播速度。經(jīng)過(guò)第2個(gè)耦合器后，總電場(chǎng)強(qiáng)度為:AE=E+E=——A2PxE?E*A2PxE?E*=[1+cos。2?(L1-L2)]=A2COS2[m(L-L)]

vv12三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：利用OptiBPM6.0設(shè)計(jì)已和MZI干涉儀，并分析仿真結(jié)果。四、實(shí)驗(yàn)方法：1、創(chuàng)建材料庫(kù)：Materials-Diffused:Crystalname:Lithium_NiobateCrystalcut:ZPropagationdirection:YMaterials-Dielectricl:Name:airRefractiveindex:1.0Profiles-Diffusion-Ti:LiNbo3Name:TiLiNbO3GroupI-lateraldiffusionlength:3.5GroupI-Diffusionlengthindepth4.22、晶體參數(shù)：WaveguideProperties參數(shù)：Width:8.0Profile:TiLiNbO3WaferDimensions參數(shù)：Length:33000Width:1002DWaferProperties參數(shù)：Material:Lithium_Niobate3DWaferProperties參數(shù)：Cladding—Material:airCladding—Thickness:2Substrate—Material:Lithium_NiobateSubstrate—Thickness:103、添加波導(dǎo)和輸入平面：所需波導(dǎo)參數(shù)如下：波導(dǎo)名稱StartoffsetEndoffsetWidthHorizontalVerticalHorizontalVerticalSbendSin10-205750-7.25默認(rèn)Linear15750-7.259000-7.25默認(rèn)SbendSin29000-7.2511500-16默認(rèn)Linear211500-1621500-16默認(rèn)SbendSin321500-1624000-7.25默認(rèn)Linear324000-7.2527250-7.25默認(rèn)SbendSin427250-7.2533000-20默認(rèn)SbendSin502057507.25默認(rèn)Linear457507.2590007.25默認(rèn)SbendSin690007.251150016默認(rèn)Linear511500162150016默認(rèn)SbendSin72150016240007.25默認(rèn)Linear6240007.25272507.25默認(rèn)SbendSin8272507.253300020默認(rèn)在完成波導(dǎo)參數(shù)設(shè)置后需要分配監(jiān)控路徑，并且插入輸入面。輸入面的參數(shù)中將Zposition的值設(shè)置為0.0000。4、仿真：仿真參數(shù)：GlobalData頁(yè)面-ReferenceIndex:ModalWavelengthm:1.32D頁(yè)面-Polarization:TMMesh—Numberofpoints:500BPMsolver:ParaxialEngine:FiniteDifferenceSchemeParameter:0.5PropagationStep:1.3BoundaryCondition:TBC在設(shè)置完仿真參數(shù)后運(yùn)行仿真并觀察仿真結(jié)果。五、分析與問(wèn)題1、詳細(xì)分析馬赫-曾德干涉儀的相關(guān)原理；1、分析兩波導(dǎo)臂長(zhǎng)度對(duì)移相器的影響。六、提交報(bào)告要求：提交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告應(yīng)有基本原理分析、設(shè)計(jì)流程圖、處理結(jié)果和設(shè)計(jì)原程序。七、參考文獻(xiàn)：OptiBPMUser’sReference.OptiwaveCorporation.2003OptiBPMTechnicalBackgroundandTutorials.OptiwaveCorporation,2003WDM中馬赫-澤恩德干涉儀(MZI)應(yīng)用及其性能分析。洪媛，鄭玉甫。甘肅科技，2005,21(