光纤通信-第三节光波导的横向耦合和耦合器.ppt

2019/7/5,Optical fiber communications,第三节 光波导的横向耦合和耦合器,2,3,4,1,22定向耦合器 Directional Couplers,Y型分支 YCoupler,1：输入端； 3、4：输出； 2：理想情况下2端无输出,A作用：将光信号进行分路与和路，定向耦合可以 监测光纤中的光功率 B原理：横向耦合（通过渐消场相互作用）,2019/7/5,Optical fiber communications,二、22定向耦合器 （Directional couplersDefinitions ） 分束比（Splitting Ratio）： 通过损耗（Through put loss）： 插入损耗（excess loss）： 搭线损耗（Torp loss ）：,2019/7/5,Optical fiber communications,Tap:搭成窃听电话 方向性（Directionality） 隔离度 （Isolation）,2019/7/5,Optical fiber communications,二、耦合方程,（平行）,A:思路：分折两波导中波的耦合作用，应把两平行波导看作另一统一的体系。来求解这一整体机构中的场，而后分折其耦合物性，由于边界条件复杂，这样做是很困难的。 弱耦合理论：在弱耦合情况下，可采用微绕法来使分折简化，相应的理论称为耦合摸理论，是传输理论的重要组成部分。思想是：相耦合的两波导中的场，各保持了该波导独立存在时的场分布和传输系数，偶合的小、影响表现在场的复数振幅的沿途变化。,2019/7/5,Optical fiber communications,B、设两波导中的复数振幅a1(z),a2(z).由于偶合作用，他们沿途变化。其变化规律可用两独立的一阶微分方程组表示：,失配位相常数，,k12,k21两波导的偶合系数，决定于耦合波导的系数也与波长有关。,2019/7/5,Optical fiber communications,对间距为d的两相同光纤： u,w归一化径向相位常数和复位常数 K0,k1:0阶和阶修正的Bessel Furetion,当两波导完全相同时， 为实数,2019/7/5,Optical fiber communications,C、有效耦合条件,相位匹配条件 D、方程的解： 方程：,解：,初始条件： z=0, a1(0), a2(0),2019/7/5,Optical fiber communications,耦合波的传输矩阵,2019/7/5,Optical fiber communications,若：,A、两波导中传输功率的变化规律是能量在两波导中周期性的转换。 B、在波导中，光功率从P2(0)=0到z=L0处最大。 此时，P1(L0)=0,即光功率全部耦合进第二波导， ，转换长度，取不同的长度，即可改变两耦合波导的输出功率比，这就是定向耦合器的基本原理。,2019/7/5,Optical fiber communications,A symmetric Directional couplers A finite difference in propagation constant between the two modes leads to less than perfect power exchange.,Symmetric Directional couplers In the symmetric case the power coupling complete.,2019/7/5,Optical fiber communications,Problem Symmetric Directional Coupler,a)参考一对定向耦合器，当工作波长为1.55m时，耦合系数为k=10cm-1,耦合区域的有效折射率为 neff=1.5,选择合适的耦合波长，使得该耦合器的搭线功率为10%，（ie如果在Input1有非0功率输入那么teouput2有10%的功率输出，output1有90%的输出）（工作波长为1.55 m ）请问使得搭线功率为10%的最短耦合长度是多少？ 假定Input1的输入功率为P0,对称定向耦合器 Power at output1:P0cos2kl=0.9Pa Power at output1:P0sin2kl=0.1Pa cos2kl=0.9 kl=0.3218 Or L=0.03218cm=321.8 m,2019/7/5,Optical fiber communications,b)在a)中若从只有Input2输入功率，那么，输出功率如何分配。 Due to the symmetry 10% of the power goes to output1 and 90% goes output 2. c)考虑一对称的单模拨导，若只有Input1 输入，那么Output1输出25%， Output2输出75% 。,2019/7/5,Optical fiber communications,当Input1和Input2同时有能量输入，两光场频率相同，位相不同。Output1和Output2的输出功率比值范围是很大的。,波导没有损失和反射，即输入波导的功率等于输出波导的功率。 Pin1+P1n2=Pou