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： 掌握MZI的干涉原理 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，β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： Materials－Diffused： Crystal name: Lithium_Niobate Crystal cut :Z Propagation direction:Y Materials－Dielectric1： Name: air Refractive index：1.0 Profiles－Diffusion-Ti:LiNbo3 Name: TiLiNbO3 Group I－lateral diffusion length :3.5 Group I－Diffusion length in depth 4.2 2、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 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 Start offset End offset 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 90