光纤通信-第三节光波导的横向耦合和耦合器

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,Optical fiber communications,1-,*,Copyright Wang Yan,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）,11/28/2024,1,二、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）,：,11/28/2024,2,Tap:搭成窃听电话,方向性,（Directionality）,隔离度,（Isolation）,11/28/2024,3,二、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。,。,11/28/2024,4,B、设两波导中的复数振幅a,1,(z),a,2,(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,，,k,12,k,21,两波导的偶合系数，决定于耦合波导的系数也与波长有关。,11/28/2024,5,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,K,0,k,1,:0阶和阶修正的Bessel Furetion,当两波导完全相同时，,为实数,11/28/2024,6,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,a,1,(0),a,2,(0),11/28/2024,7,耦合波的传输矩阵,11/28/2024,8,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P,2,(0)=0到z=L,0,处最大。,此时，P,1,(L,0,)=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。,11/28/2024,9,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.,11/28/2024,10,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,n,eff,=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P,0,对称定向耦合器,Power at output1:P,0,cos,2,kl=0.9Pa,Power at output1:P,0,sin,2,kl=0.1Pa,cos,2,kl=0.9 kl=0.3218,Or L=0.03218cm=321.8 m,11/28/2024,11,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%。,11/28/2024,12,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。,P,in1,+P,1n2,=P,out1,+P,out2,11/28/2024,13,P,out1,:,P,out2,:,P,out1,+P,out2,=0.75 P,1,+0.25P,2,+2,+0.25 P,1,+0.75P,2,+2,=P,1,+P,2,11/28/2024,14,