第七章波导输入和输出耦合器

第七章波导输入和输出耦合器第一页，共52页。光耦合的概念“耦合”一词的含义是什么？简单地说，耦合就是指两个物体之间存在直接关系，相互影响。什么是光耦合？通常是指两个或两个以上的光学元器件或光网络的输入与输出之间存在紧密配合与相互影响，并通过相互作用从一侧向另一侧传输能量的现象。基于光耦合原理制作的各种光耦合器在集成光学中具有重要的应用：波导输入和输出耦合器、光功率的分配、滤波、偏振选择、调制、光开关等。2第二页，共52页。光耦合原理光耦合器的基本性质是它的耦合效率和模式选择性。耦合效率：光束总功率中被耦合进（或耦合出）波导的百分比，也可以用分贝（dB）单位表示。百分比表示：分贝表示：其中，为耦合进（出）波导的功率；为耦合前光束的总功率。模式选择性：将光功率耦合进特定波导模式，或将特定波导模式的光功率耦合出波导。3第三页，共52页。光耦合原理对于一个选模耦合器，可以分别确定每个模式的耦合效率。百分比表示：分贝表示：其中，为耦合进（出）第阶模式的功率；为耦合前光束的总功率。对于多模耦合器，通常用总值表示耦合效率。耦合效率非常强烈地依赖于光束场和波导模场的匹配程度。4第四页，共52页。横向耦合器横向耦合器：光束直接聚焦在波导外露截面上。对自由空间（空气）中的光束来说，可以使用一个透镜来完成这种聚焦。两块波导之间的横向耦合，可以通过将它们经过抛光或解理了的横截面对接在一起来实现。激光束与波导横向耦合最简单的方法是直接聚焦（或称为端焦法）。波导既可以是平面型，也可以是通道型。5第五页，共52页。横向耦合器在端焦法中，光束能量向已知波导模式的转移是通过光束场和波导模场的匹配来完成的。由入射光束的场分布与波导模场分布的重叠积分可以计算出耦合效率。以平板波导为例，耦合效率的计算式为其中，为输入激光束的振幅分布，为第阶导模的振幅分布。6第六页，共52页。横向耦合器激光束的高斯分布与TE0模（基模）模场形状之间具有相当好的匹配，所以端焦法特别适用于气体激光器输出光束与波导基模之间的耦合（原则上讲，耦合效率可以接近100%）。为实现最佳耦合，光束直径一定要与波导厚度匹配，并且要严格对准（由于对准误差，通常可达到的耦合效率约为60%）。端焦法很方便，实验室常常采用这种方法，但是在没有光学平台的情况下要保持对准是非常困难的，这就限制了端焦法的实际应用。7第七页，共52页。横向耦合器平行端接耦合是实现波导与半导体激光器（或波导）之间耦合的有效方法。波导层厚度可以制作成与半导体激光器的发光层厚度相当，并且激光器的基模场分布与波导的基模场分布相似，所以平行端接耦合能实现两者的高效耦合。8第八页，共52页。横向耦合器一个工作在TE0基模态的激光二极管与平板波导进行耦合，TE模间的耦合效率可以表示为上式假设所有波导模式都受到很好限制，并且波导的波导层厚度小于激光器的发射层厚度，即。思考：为什么与奇数阶导模不发生耦合？9第九页，共52页。横向耦合器下图为GaAs激光二极管与玻璃衬底Ta2O5波导的耦合效率与波导厚度的关系曲线。如果，最低阶导模（）的耦合效率理论值可接近100%，此时，耦合到高阶模式的能量几乎为零。10第十页，共52页。横向耦合器上面讨论的耦合效率是假设激光器与波导完全对准时的最佳值，实际上耦合效率对于x方向（波导层厚度方向）的横向对准偏差是非常敏感的。波导相对于激光器横向位移为时，耦合效率按如下规律减小:无横向位移（）时的耦合功率:有横向位移（）时的耦合功率上式假设和。11第十一页，共52页。横向耦合器实例：和。虚线：理论计算值实线：实验测量数据12第十二页，共52页。横向耦合器激光器与波导在z方向（光传播方向）之间的间距对于耦合效率也是非常关键的，要实现最佳耦合，间距需控制在波长量级的精度。耦合效率的整体下降趋势由衍射效应引起。曲线的振荡形状由激光器和波导之间F-P共振效应引起。激光器和波导之间用折射率匹配液可消除振荡效应。13第十三页，共52页。棱镜耦合器如何将光耦合进横截面没有露在外部但是表面露出来的波导中去？能否像下图一样，以某倾角将光聚焦在波导表面，实现耦合？为了实现耦合，必须满足相位匹配条件，即z向传播常数相等，也即要求：通常情况下导模条件：图示直接聚焦照射的方法显然无法实现与导模之间的耦合。14第十四页，共52页。棱镜耦合器棱镜耦合器的工作原理如下图所示用夹具将高折射率（）棱镜压在平板波导上，棱镜底部与波导层的表面之间有一很窄的空气间隔（或折射率匹配液），构成棱镜-波导耦合系统。输入棱镜耦合器输出棱镜耦合器15第十五页，共52页。棱镜耦合器在输入棱镜与空气隙交界面（面）上，光束发生全反射，在棱镜中沿x方向形成驻波模式，类似于波导模式，沿z方向以传播常数传播。输入棱镜耦合器输出棱镜耦合器16第十六页，共52页。棱镜耦合器如果棱镜底部与波导层表面之间的缝隙足够小，以至于棱镜中驻波模式的倏逝波尾与波导中导模的倏逝波尾部分重叠，并且满足，就能发生棱镜驻波模式与第阶波导模式的能量相干耦合。输入棱镜耦合器输出棱镜耦合器17第十七页，共52页。棱镜耦合器耦合发生时的相位匹配条件：调整光束入射角可以将能量耦合进不同阶数的波导模式中。对于输出棱镜耦合器，如果波导中存在多阶导模，各阶模式在棱镜中的输出角也是不同的（对于平板波导，将形成m线）。单模平板光波导m线照片四个导模的多模平板光波导m线照片18第十八页，共52页。棱镜耦合器在棱镜-波导耦合系统中，入射光束在棱镜中发生全反射，但是能通过倏逝波尾重叠而耦合能量，这样的过程称为光学隧道效应，它与量子力学中的势垒贯穿（隧道效应）相似。思考一：如果，会不会发生耦合？思考二：如果，会不会发生耦合？思考三：如果，是不是一定会发生耦合？发生耦合的条件是什么？19第十九页，共52页。棱镜耦合器满足了上述的相位匹配条件，只能保证波导模式与棱镜驻波模式之间可能发生耦合，但是具体的耦合效果由耦合系数和耦合长度共同决定。根据模式耦合理论（下一章会详细介绍）可知，当耦合系数和耦合长度满足如下关系时，相位匹配的模式之间才能发生完全的能量交换其中，为棱镜驻波模式与波导模式之间的耦合系数，它与确定模场尾形状的、和有关，也与棱镜底部和波导表面的间隙有关;是棱镜底部光束沿z方向的宽度。20第二十页，共52页。棱镜耦合器在耦合长度确定时，可以通过调节间隙的厚度以改变耦合系数，从而获得高的耦合效率。完全耦合（100%耦合）条件是假定在光束的整个宽度内，电场是均匀的，实际上对于高斯光束，最大耦合效率约为80%。即使是均匀光束，要想实现100%的耦合，光束的边缘一定要恰好与棱镜的直角顶点相交：如果光束入射得偏右，则部分入射功率或被反射或直接透射入波导，而不进入棱镜模式；如果光束入射得偏左，则部分已耦合入波导的功率将会重新耦合回棱镜。21第二十一页，共52页。棱镜耦合器棱镜-波导耦合的光线模型入射到棱镜底部1’、2’、3’点的光（相当于次波源），在波导层上表面对应的1、2、3点分别激励起子波，这些子波相干叠加后形成波导模式。等相位面22第二十二页，共52页。棱镜耦合器波导层上表面2点处的光波是由两部分光波相干叠加而成：由棱镜底部2’点直接激励产生，称为直接波；由棱镜底部1’点在波导层上表面1点直接激励，然后在波导层中沿锯齿形路径传播过来，称为间接波。23第二十三页，共52页。棱镜耦合器波导层上表面2点处直接波与间接波的相位差等于直接波由等相位面传播到2’点的相位（）减去间接波由1点传播到2点的相位（），即结论：直接波与间接波同相，相干相涨叠加。24第二十四页，共52页。棱镜耦合器通常在棱镜耦合器中有大约近百个这样的锯齿，因此相干加强作用能很快地在波导层中激发起足够强度的波导模式由于这个原因，相位匹配条件也叫做同步条件，用于激发各种不同波导模式的棱镜入射角称为同步角。25第二十五页，共52页。棱镜耦合器当棱镜耦合器用做输出耦合器时，不同阶数的模式会以不同的角度输出，可以用做模式分析工具。将棱镜耦合器作为输出耦合器沿波导的长度方向移动，可以用于测量波导损耗，但是每次测量耦合功率时需对棱镜施加相同的压力，使得间隙（即耦合效率）保持不变。由于半导体波导的折射率通常较大（3~4），很难找到折射率满足要求的棱镜，所以很难用棱镜耦合，所以棱镜耦合通常用于玻璃波导。半导体激光器的发散角较大，因此不能用棱镜耦合器件进行有效耦合。26第二十六页，共52页。棱镜耦合器观察屏He-Ne激光器准直器透镜偏振器m线耦合棱镜耦合棱镜单模平板光波导m线照片四个导模的多模平板光波导m线照片27第二十七页，共52页。光栅耦合器光栅耦合器可以将直接照射波导层的光有效地耦合入波导模式中去。光栅耦合器具有平面结构，适于批量生产，可使元件小型化，便于集成化，非常具有实用价值。光栅28第二十八页，共52页。光栅耦合器波导层中的导模通过光栅区域时，激发起衍射场，导模通过衍射光将能量传输到覆盖层，构成输出耦合；反之，由覆盖层照射到光栅的激光束，也可以把能量有效地耦合进波导层，激励起导模。光栅29第二十九页，共52页。光栅耦合器输入光栅耦合器工作原理等相位面等相位面光栅方程:30第三十页，共52页。光栅耦合器衍射光（波导层中的光）沿z向的传播常数为光栅的周期性微扰引入的空间谐波级次为负（）的衍射光，其z向传播常数有可能满足导模传播条件：；通过合理设计光栅周期或选择入射角，能使某级衍射光的z向传播常数与第阶的导模传播常数相等，即满足相位匹配条件;满足相位匹配条件的衍射光激励起导模。31第三十一页，共52页。光栅耦合器适当地选择光束的入射角度，光栅耦合器就可以用来选择性地将光束能量耦合进特定的波导模式中；同样的道理，某一特定的波导模式的能量可以从对应的某一特定角度耦合出来，所以光栅耦合器也可以用做输出耦合器。光栅耦合器的主要缺点：入射光会形成很多级衍射光，但是只有某一级衍射光才与某阶导模满足相位匹配条件，大部分衍射光的能量透过波导层而损耗于衬底，所以光栅耦合器难以达到棱镜耦合器那样高的耦合效率。采用闪耀光栅可以大大提高光栅耦合器的耦合效率。32第三十二页，共52页。光栅耦合器光栅耦合器的主要优点：一旦制作完毕，光栅耦合器就是波导结构的一个组成部分，所以它的耦合效率是一个恒定量，而且不随外界条件明显改变；光栅耦合器能用于高折射率半导体波导上，而这种波导难以找到合适的棱镜材料。由于光栅耦合器对角度的依赖性大，所以它也不能有效地用于半导体激光器与波导的耦合。33第三十三页，共52页。光栅耦合器光栅条纹图样的形成两束倾斜相交的相干激光束（由同一束激光分束得到）产生的干涉图样对光刻胶曝光，形成光栅图样。显然，不能小于。34第三十四页，共52页。光栅耦合器全息光栅曝光棱镜法：利用棱镜可以比普通曝光法获得更小的栅条间距。：棱镜材料的折射率35第三十五页，共52页。光栅耦合器光刻胶经过曝光后，使用标准方法显影，在波导表面产生所需要的掩膜，再利用刻蚀方法（化学刻蚀或离子束刻蚀）制作光栅。作为刻蚀方法的替代，另一种在波导表面制作光栅结构的方法是：用光刻胶限定形状后，再在波导表面沉积薄膜条。用这种方法制成的光栅耦合器，有部分光会受到阻挡而进不了波导，其散射和吸收损耗都要大于刻蚀光栅的值。36第三十六页，共52页。楔形耦合器楔形薄膜耦合器（尖劈形薄膜耦合器）是把薄膜波导的一端制成尖劈形薄膜区域而构成的。楔形耦合的原理：低于截止条件的导模将能量转移到辐射模。37第三十七页，共52页。楔形耦合器楔形薄膜耦合器工作原理如下图所示导模进入楔形区域内传播时，当它传播到薄膜厚度等于该导模的截止厚度处时，再往后传播就开始转换为衬底辐射模并由衬底输出。38第三十八页，共52页。楔形耦合器从几何光学角度看，进入楔形区域的光线在上下界面之间每往返一次，它在下界面的入射角就减小（其中为楔形尖劈的顶角）；经过多次往返，光线在下界面的入射角（）将小于该界面的全反射临界角，光线开始折射入衬底。39第三十九页，共52页。楔形耦合器如果薄膜与衬底的折射率差远小于薄膜与覆盖层的折射率差，则光线在经历若干次反射后将全部折射入衬底（折射角不同）；所以楔形尖劈的顶角很小时，可以实现100%的输出耦合效率。40第四十页，共52页。楔形耦合器到达截止厚度以后，折射入衬底的光线的折射角是从90°（此时，光线沿z向传播）开始减小的，所以输出光线有一发散角；楔形尖劈的顶角越小，发散角也越小，而且输出光束强度有一角分布，由零增至最大值后又减至零，尖劈的斜率越小，角分布就越尖锐。41第四十一页，共52页。楔形耦合器关于输出光束强度的角分布，以平板波导中的TE模为例进行说明，它在楔形尖劈的斜边上发生全反射，在薄膜层的底部反射率为其中，和分别为薄膜层底部的入射角和折射角。在截止点，，透射几乎为零；随着离开截止点的距离增加，和减小，反射率迅速降低，折射光强随之急剧增大；再往后，虽然透射率增大，但是由于反射光强的迅速减小，折射光强由最大值迅速减小到零。42第四十二页，共52页。楔形耦合器实例：薄膜层下表面全反射临界角：折射角斜率：(a)1:30;(b)1:60;(c)1:150;(d)1:50043第四十三页，共52页。楔形耦合器楔形耦合器最大的优点是能将导波光引向衬底一侧，是性能优良的输出耦合器，适用于集成光电探测。楔形耦合器作为输出耦合器时，输出光束的发散角通常在1°~20°之间，如果在衬底辐射膜的出射方向开孔，插入光纤，可以实现薄膜波导同光纤的耦合。根据光路可逆原理，楔形耦合器也可以用做输入耦合器，但是通常难以获得匹配的会聚光束，所以用做输入耦合器时一般只能得到非常低的耦合效率；然而将光纤的端面放置在非常靠近波导的位置处，可以获得较高的输入耦合效率，并且将光纤的端面成