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马赫一曾德干涉仪的分光原理：设两耦合器的相位因子分别为12,当干涉仪一输入端注入强度为I。（以电场强度 表示为E。）光波时，可以推出两个输出端的光场强度I1,12（以电场强度分别表示为E1, E2） 分别为

2、：11 = E=E。2 cos2（% +%）+sin（2®i）sin（2%sin2（BVL/2）12 = E22 = Eo2 sin2伴）+sin（2巒）sin（2 单2）cos2（BVL/2）式中，功传输常数；耳二Li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：lL =2二n=L/C =2 / F。（：为光的频率；n为光纤纤心的折射率：C为真空中 的光速；F =C/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45°，可以得到干涉仪输出端的强度传输系数分别如下：T1 二丄=邑 二1 1

3、 _cos(2-. /F)I。Eo2. .2T2 上=亠二1 1 cos(2二 / F)IoEo2 -图2给出了强度传输系数随输入光频率的变化曲线:图2马赫一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“心的光波时，如果二者的频差=21与干涉仪自由程F满足关系式 =(K 1/2)F (K =0,1,2,)，则可以实现两 个频率不同

4、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、马赫一曾德干涉仪的滤波原理马赫一曾德滤波器结构如图3所示：图3马赫一曾德干涉仪滤波器原理图输入光功率R经第一个3dB耦合器等分为巴和p2两部分，他们分别在长度为L1和L,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R尤Ej，则输入光的电场强度可以表示为:E = Ae%其中i,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：A2P P假设经过L1和R的传输后，为：i1i22两束光的偏振方向保持不变，贝U他们的电场强度分别A ei (t丄/v)2e il；A 3丄钳 .2e i

5、l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:E 二巳E2gCyt丄i/v) +国化丄2八)输出光功率:co( L| L2)22 兀u1 cos = A cos (L L2)v、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 n ame: Lithium_NiobateCrystal cut :ZPropagati on directi onYMaterials Dielectric"：Name: airRefractive in dex： 1.0Profil

6、es Diffusion-Ti:LiNbo3Name: TiLiNbO3Group I lateral diffusion length :3.5Group I Diffusi on len gth in depth 4.22、晶体参数：Waveguide Properties参 数：Width : 8.0Profile: TiLiNbO3Wafer Dime nsions 参数：Len gth: 33000Width:1002D Wafer Properties参 数：Material: Lithium_Niobate3D Wafer Properties参数：Cladd ing Mater

7、ial: airCladdi ngThick ness: 2Substrate Material: Lithium_NiobateSubstrate Thick ness: 103、添加波导和输入平面：所需波导参数如下：波导名称Start offsetEnd offsetWidthHoriz on talVerticalHoriz on talVerticalSbe ndSinl0-205750-7.25默认Lin earl5750-7.259000-7.25默认Sbe ndSi n29000-7.2511500-16默认Lin ear211500-1621500-16默认Sbe ndSin3

8、21500-1624000-7.25默认Lin ear324000-7.2527250-7.25默认Sbe ndSin427250-7.2533000-20默认Sbe ndSin502057507.25默认Lin ear457507.2590007.25默认Sbe ndSin690007.251150016默认Lin ear511500162150016默认Sbe ndSin72150016240007.25默认Lin ear6240007.25272507.25默认Sbe ndSin8272507.253300020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

9、position的值设置为0.0000。4、仿真：仿真参数：Global Data 页面Refere nee In dex: ModalWavele ngth m: 1.32D页面Polarizatio n: TMMesh Number of po ints: 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 User ' s 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(