马赫-曾德尔干涉仪的设计.docVIP

马赫-曾德尔干预仪的设计

一、实验目的：

掌握MZI的干预原理

掌握MZI干预仪的根本结构和仿真方法

二、实验原理：

MZI干预原理基于两个相干单色光经过不同的光程传输后的干预理论。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1MZI干预原理简图

马赫－曾德干预结构可用做光调制器，也可用做光滤波器。

1、马赫－曾德干预仪的分光原理：

设两耦合器的相位因子分别为,当干预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，β为传输常数；为干预仪两臂的长度差，它在干预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；为马赫一曾德干预仪的自由程。

当构成干预仪的两耦合器均为标准的3dB耦合器(即分光比为1：1)时，两耦合器的相位因子为，可以得到干预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－曾德干预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，当在干预仪的一个输入端注入单一频率的光波时，调节干预仪使一个输出端输出光强度到达最大时，那么另一输出端输出光强度将到达最小。另外，根据图2，还可以得到一个重要的结论：当在干预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预仪自由程F满足关系式()，那么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别离。

2、马赫－曾德干预仪的滤波原理

马赫－曾德滤波器结构如图3所示：

图3马赫－曾德干预仪滤波器原理图

输入光功率经第一个3dB耦合器等分为和两局部，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，那么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，那么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干预仪，并分析仿真结果。

四、实验方法：

1、创立材料库：

Materials－Diffused：

Crystalname:Lithium_Niobate

Crystalcut:Z

Propagationdirection:Y

Materials－Dielectric1：

Name:air

Refractiveindex：1.0

Profiles－Diffusion-Ti:LiNbo3

Name:TiLiNbO3

GroupI－lateraldiffusionlength:3.5

GroupI－Diffusionlengthindepth4.2

2、晶体参数：

WaveguideProperties参数：

Width：8.0

Profile：TiLiNbO3

WaferDimensions参数：

Length:33000

Width:100

2DWaferProperties参数：

Material：Lithium_Niobate

3DWaferProperties参数：

Cladding—Material:air

Cladding—Thickness:2

Substrate—Material:Lithium_Niobate

Substrate—Thickness:10

3、添加波导和输入平面：

所需波导参数如下：

波导名称

Startoffset

Endoffset

Width

Horizontal

Vertical

Horizontal

Vertical

SbendSin1

0

-20

5750

-7.25

默认

Linear1

5750

-7.25

9000

-7.25

默认

SbendSin2

9000

-7.25

11500

-16

默认

Linear2

11500

-16

21500

-16

默认

SbendSin3

21500

-16

24000

-7.25

默认

Linear3

24000

-7.25

27250

-7.25

默认

SbendSin4

27250

-7.25

33000

-20

默认

SbendSin5

0

20

5750

7.25

默认

Linear4

5750

7.25

9000