马赫-曾德尔干涉仪的设计

精品文档 1欢迎下载 马赫马赫 曾德尔干涉仪的设计曾德尔干涉仪的设计 一 实验目的 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 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 1 马赫 曾德干涉仪的分光原理 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 12 0 I 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 0 E 12 I I 分别为 1 2 E E 22 22 1101212 22 22 2201212 cos sin 2 sin 2 sin 2 sin sin 2 sin 2 cos 2 IEEL IEEL A A 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 12 LLL 位差 为光的频率 n n为光纤纤心的折射率 C C为真空中2 2 Ln L CF 的光速 为马赫一曾德干涉仪的自由程 FC n L 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 0 45 2 1 1 12 0 0 2 2 2 22 0 0 1 1 cos 2 2 1 1 cos 2 2 EI TF I E EI TF I E 精品文档 2欢迎下载 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 12 差与干涉仪自由程 F 满足关系式 则可以实 21 1 2 KF 0 1 2 K 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 2 马赫 曾德干涉仪的滤波原理 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 i i P P 1 i P 2i P 1 L L 的光波导中传输后 经过第二个 3dB 耦合器合在一起 2 L L 设输入光功率 则输入光的电场强度可以表示为 iii PEE i t il EAe i 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 l i 束光功率可表示为 2 12 2 ii A PP 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 1 L L 2 L L 别为 精品文档 3欢迎下载 12 12 22 it Lvit Lv ll AA EeiEei 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 12 12 E 2 it Lvit Lv A EEee 输出光功率 2 22 12 12 1cos cos 2 o ALL PE EALL vv 三 实验内容 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 四 实验方法 1 1 创建材料库 创建材料库 MaterialsMaterials DiffusedDiffused Crystal name Lithium Niobate Crystal cut Z Z Propagation direction Y Y MaterialsMaterials Dielectric1Dielectric1 Name airair Refractive index 1 01 0 ProfilesProfiles Diffusion Ti LiNbo3Diffusion Ti LiNbo3 Name TiLiNbO3 Group I lateral diffusion length 3 5 Group I Diffusion length in depth 4 2 2 2 晶体参数 晶体参数 Waveguide Properties参数 Width 8 0 Profile TiLiNbO3 Wafer Dimensions 参数 Length 33000 Width 100 2D Wafer Properties参数 Material Lithium Niobate 3D Wafer Properties参数 Cladding Material air Cladding Thickness 2 Substrate Material Lithium Niobate 精品文档 4欢迎下载 Substrate Thickness 10 3 3 添加波导和输入平面 添加波导和输入平面 所需波导参数如下 所需波导参数如下 Start offsetEnd offset 波导名称 Horizont al Vertical Horizont al Vertical Width SbendSin10 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 Z positionposition 的值设置为 0 0000 4 4 仿真 仿真 仿真参数 精品文档 5欢迎下载 GlobalGlobal DataData页面 页面 Reference Index ModalModal Wavelength m 1 31 3 2D2D页面 页面 Polarization TMTM Mesh Number of points 500500 BPM solver ParaxialParaxial Engine FiniteFinite DifferenceDifference Scheme Parameter 0 50 5 Propagation Step 1 31 3 Boundary Condition TBCTBC 在设置完仿真参数后运行仿