马赫-曾德尔干涉仪的设计.doc

_马赫-曾德尔干涉仪的设计一、实验目的：1 掌握MZI的干涉原理2 掌握MZI干涉仪的基本结构和仿真方法二、实验原理：MZI干涉原理基于两个相干单色光经过不同的光程传输后的干涉理论。MZI主要由前后两个3dB定向耦合器和一个可变移相器组成。最终使不同的两个波长分别沿两个不同的端口输出。其结构示意图如下所示：图1 MZI干涉原理简图马赫曾德干涉结构可用做光调制器，也可用做光滤波器。1、马赫曾德干涉仪的分光原理：设两耦合器的相位因子分别为,当干涉仪一输入端注入强度为 (以电场强度表示为)光波时，可以推出两个输出端的光场强度(以电场强度分别表示为)分别为：式中，为传输常数；为干涉仪两臂的长度差，它在干涉仪两臂之间引入的相位差：。（为光的频率；n为光纤纤心的折射率：C为真空中的光速；为马赫一曾德干涉仪的自由程。 当构成干涉仪的两耦合器均为标准的3 dB耦合器(即分光比为1：1)时，两耦合器的相位因子为，可以得到干涉仪输出端的强度传输系数分别如下：图2给出了强度传输系数随输入光频率的变化曲线：图2 马赫曾德干涉仪强度传输系数随频率变化曲线从图2可以看出，两个输出端的强度传输系数正好是反相的，也就是说，当在干涉仪的一个输入端注入单一频率的光波时，调节干涉仪使一个输出端输出光强度达到最大时，则另一输出端输出光强度将达到最小。另外，根据图2，还可以得到一个重要的结论：当在干涉仪一个输入端同时注入两个频率分别为的光波时，如果二者的频差与干涉仪自由程F满足关系式 ()，则可以实现两个频率不同的光波分别在不同的输出端输出，即实现不同频率光波的分离。2、马赫曾德干涉仪的滤波原理马赫曾德滤波器结构如图3所示：图3 马赫曾德干涉仪滤波器原理图输入光功率经第一个3dB耦合器等分为和两部分，他们分别在长度为和的光波导中传输后，经过第二个3dB耦合器合在一起。设输入光功率，则输入光的电场强度可以表示为：其中表示光的偏振方向上的单位矢量。经过第一个3dB耦合器将输入光分成两束，每束光功率可表示为：假设经过和的传输后，两束光的偏振方向保持不变，则他们的电场强度分别为：式中v为波导中光的传播速度。经过第2个耦合器后，总电场强度为：输出光功率：三、实验内容：利用OptiBPM6.0设计已和MZI干涉仪，并分析仿真结果。四、实验方法：1、创建材料库： MaterialsDiffused： Crystal name: Lithium_NiobateCrystal cut :ZPropagation direction:Y MaterialsDielectric1：Name: airRefractive index：1.0ProfilesDiffusion-Ti:LiNbo3Name: TiLiNbO3Group Ilateral diffusion length :3.5Group IDiffusion length in depth 4.22、晶体参数：Waveguide Properties参数： Width：8.0 Profile：TiLiNbO3 Wafer Dimensions参数：Length: 33000Width:100 2D Wafer Properties参数：Material：Lithium_Niobate 3D Wafer Properties参数： CladdingMaterial: airCladdingThickness: 2SubstrateMaterial: Lithium_NiobateSubstrateThickness: 103、添加波导和输入平面： 所需波导参数如下：波导名称Start offsetEnd offsetWidthHorizontalVerticalHorizontalVerticalSbendSin10-205750-7.25默认Linear15750-7.259000-7.25默认SbendSin29000-7.2511500-16默认Linear211500-1621500-16默认SbendSin321500-1624000-7.25默认Linear324000-7.2527250-7.25默认SbendSin427250-7.2533000-20默认SbendSin502057507.25默认Linear457507.2590007.25默认SbendSin690007.251150016默认Linear511500162150016默认SbendSin72150016240007.25默认Linear6240007.25272507.25默认SbendSin8272507.253300020默认在完成波导参数设置后需要分配监控路径，并且插入输入面。输入面的参数中将Z position 的值设置为0.0000。4、仿真： 仿真参数：Global Data页面Reference Index: ModalWavelength m: 1.32D页面Polarization: TMMeshNumber of points: 500BPM solver: ParaxialEngine: Finite DifferenceScheme Parameter: 0.5Propagation Step: 1.3Boundary Co