实验三集成波导马赫曾德尔干涉仪

1、实验三：集成波导马赫-曾德尔干涉仪一、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

2、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

3、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

4、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 idiffu

5、sion 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

6、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linear4

7、57507.2590007.25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

8、of points: 500bpm solver: paraxialengine: finite differencescheme parameter: 0.5propagation step: 1.3boundary condition: tbc在设置完仿真参数后运行仿真并观察仿真结果。五、分析与问题1、详细分析马赫曾德干涉仪的相关原理；1、 分析两波导臂长度对移相器的影响。六、提交报告要求： 提交的实验报告应有基本原理分析、设计流程图、处理结果和设计原程序。七、参考文献：(1) optibpm users reference. optiwave corporation. 2003(2) optibpm technical background and tutorials. optiwave corporation，2003 (3) wdm中马赫-泽恩德干涉仪（mzi）应用及其性能分析。洪媛，郑玉甫。甘肃科技，2005，21（1），62-63 (4) 马赫-曾德尔光纤干涉仪的