第七章波導(dǎo)輸入和輸出耦合器

第七章波導(dǎo)輸入和輸出耦合器教師：張旨遙辦公地點(diǎn)：光電樓321室E-mail:zhangzhiyao@1光耦合的概念“耦合”一詞的含義是什么？簡單地說，耦合就是指兩個(gè)物體之間存在直接關(guān)系，相互影響。什么是光耦合？通常是指兩個(gè)或兩個(gè)以上的光學(xué)元器件或光網(wǎng)絡(luò)的輸入與輸出之間存在緊密配合與相互影響，并通過相互作用從一側(cè)向另一側(cè)傳輸能量的現(xiàn)象?；诠怦詈显碇谱鞯母鞣N光耦合器在集成光學(xué)中具有重要的應(yīng)用：波導(dǎo)輸入和輸出耦合器、光功率的分配、濾波、偏振選擇、調(diào)制、光開關(guān)等。2光耦合原理光耦合器的基本性質(zhì)是它的耦合效率和模式選擇性。耦合效率：光束總功率中被耦合進(jìn)（或耦合出）波導(dǎo)的百分比，也可以用分貝（dB）單位表示。百分比表示：分貝表示：其中，為耦合進(jìn)（出）波導(dǎo)的功率；為耦合前光束的總功率。模式選擇性：將光功率耦合進(jìn)特定波導(dǎo)模式，或?qū)⑻囟ú▽?dǎo)模式的光功率耦合出波導(dǎo)。3光耦合原理對(duì)于一個(gè)選模耦合器，可以分別確定每個(gè)模式的耦合效率。百分比表示：分貝表示：其中，為耦合進(jìn)（出）第階模式的功率；為耦合前光束的總功率。對(duì)于多模耦合器，通常用總值表示耦合效率。耦合效率非常強(qiáng)烈地依賴于光束場和波導(dǎo)模場的匹配程度。4橫向耦合器橫向耦合器：光束直接聚焦在波導(dǎo)外露截面上。對(duì)自由空間（空氣）中的光束來說，可以使用一個(gè)透鏡來完成這種聚焦。兩塊波導(dǎo)之間的橫向耦合，可以通過將它們經(jīng)過拋光或解理了的橫截面對(duì)接在一起來實(shí)現(xiàn)。激光束與波導(dǎo)橫向耦合最簡單的方法是直接聚焦（或稱為端焦法）。波導(dǎo)既可以是平面型，也可以是通道型。5橫向耦合器在端焦法中，光束能量向已知波導(dǎo)模式的轉(zhuǎn)移是通過光束場和波導(dǎo)模場的匹配來完成的。由入射光束的場分布與波導(dǎo)模場分布的重疊積分可以計(jì)算出耦合效率。以平板波導(dǎo)為例，耦合效率的計(jì)算式為其中，為輸入激光束的振幅分布，為第階導(dǎo)模的振幅分布。6橫向耦合器激光束的高斯分布與TE0模（基模）模場形狀之間具有相當(dāng)好的匹配，所以端焦法特別適用于氣體激光器輸出光束與波導(dǎo)基模之間的耦合（原則上講，耦合效率可以接近100%）。為實(shí)現(xiàn)最佳耦合，光束直徑一定要與波導(dǎo)厚度匹配，并且要嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)（由于對(duì)準(zhǔn)誤差，通?？蛇_(dá)到的耦合效率約為60%）。端焦法很方便，實(shí)驗(yàn)室常常采用這種方法，但是在沒有光學(xué)平臺(tái)的情況下要保持對(duì)準(zhǔn)是非常困難的，這就限制了端焦法的實(shí)際應(yīng)用。7橫向耦合器平行端接耦合是實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)與半導(dǎo)體激光器（或波導(dǎo)）之間耦合的有效方法。波導(dǎo)層厚度可以制作成與半導(dǎo)體激光器的發(fā)光層厚度相當(dāng)，并且激光器的基模場分布與波導(dǎo)的基模場分布相似，所以平行端接耦合能實(shí)現(xiàn)兩者的高效耦合。8橫向耦合器一個(gè)工作在TE0基模態(tài)的激光二極管與平板波導(dǎo)進(jìn)行耦合，TE模間的耦合效率可以表示為上式假設(shè)所有波導(dǎo)模式都受到很好限制，并且波導(dǎo)的波導(dǎo)層厚度小于激光器的發(fā)射層厚度，即。思考：為什么與奇數(shù)階導(dǎo)模不發(fā)生耦合？9橫向耦合器下圖為GaAs激光二極管與玻璃襯底Ta2O5波導(dǎo)的耦合效率與波導(dǎo)厚度的關(guān)系曲線。如果，最低階導(dǎo)模（）的耦合效率理論值可接近100%，此時(shí)，耦合到高階模式的能量幾乎為零。10橫向耦合器上面討論的耦合效率是假設(shè)激光器與波導(dǎo)完全對(duì)準(zhǔn)時(shí)的最佳值，實(shí)際上耦合效率對(duì)于x方向（波導(dǎo)層厚度方向）的橫向?qū)?zhǔn)偏差是非常敏感的。波導(dǎo)相對(duì)于激光器橫向位移為時(shí)，耦合效率按如下規(guī)律減小:無橫向位移（）時(shí)的耦合功率:有橫向位移（）時(shí)的耦合功率上式假設(shè)和。11橫向耦合器實(shí)例：和。虛線：理論計(jì)算值實(shí)線：實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)12橫向耦合器激光器與波導(dǎo)在z方向（光傳播方向）之間的間距對(duì)于耦合效率也是非常關(guān)鍵的，要實(shí)現(xiàn)最佳耦合，間距需控制在波長量級(jí)的精度。耦合效率的整體下降趨勢(shì)由衍射效應(yīng)引起。曲線的振蕩形狀由激光器和波導(dǎo)之間F-P共振效應(yīng)引起。激光器和波導(dǎo)之間用折射率匹配液可消除振蕩效應(yīng)。13棱鏡耦合器如何將光耦合進(jìn)橫截面沒有露在外部但是表面露出來的波導(dǎo)中去？能否像下圖一樣，以某傾角將光聚焦在波導(dǎo)表面，實(shí)現(xiàn)耦合？為了實(shí)現(xiàn)耦合，必須滿足相位匹配條件，即z向傳播常數(shù)相等，也即要求：通常情況下導(dǎo)模條件：圖示直接聚焦照射的方法顯然無法實(shí)現(xiàn)與導(dǎo)模之間的耦合。14棱鏡耦合器棱鏡耦合器的工作原理如下圖所示用夾具將高折射率（）棱鏡壓在平板波導(dǎo)上，棱鏡底部與波導(dǎo)層的表面之間有一很窄的空氣間隔（或折射率匹配液），構(gòu)成棱鏡-波導(dǎo)耦合系統(tǒng)。輸入棱鏡耦合器輸出棱鏡耦合器15棱鏡耦合器在輸入棱鏡與空氣隙交界面（面）上，光束發(fā)生全反射，在棱鏡中沿x方向形成駐波模式，類似于波導(dǎo)模式，沿z方向以傳播常數(shù)傳播。輸入棱鏡耦合器輸出棱鏡耦合器16棱鏡耦合器如果棱鏡底部與波導(dǎo)層表面之間的縫隙足夠小，以至于棱鏡中駐波模式的倏逝波尾與波導(dǎo)中導(dǎo)模的倏逝波尾部分重疊，并且滿足，就能發(fā)生棱鏡駐波模式與第階波導(dǎo)模式的能量相干耦合。輸入棱鏡耦合器輸出棱鏡耦合器17棱鏡耦合器耦合發(fā)生時(shí)的相位匹配條件：調(diào)整光束入射角可以將能量耦合進(jìn)不同階數(shù)的波導(dǎo)模式中。對(duì)于輸出棱鏡耦合器，如果波導(dǎo)中存在多階導(dǎo)模，各階模式在棱鏡中的輸出角也是不同的（對(duì)于平板波導(dǎo)，將形成m線）。單模平板光波導(dǎo)m線照片四個(gè)導(dǎo)模的多模平板光波導(dǎo)m線照片18棱鏡耦合器在棱鏡-波導(dǎo)耦合系統(tǒng)中，入射光束在棱鏡中發(fā)生全反射，但是能通過倏逝波尾重疊而耦合能量，這樣的過程稱為光學(xué)隧道效應(yīng)，它與量子力學(xué)中的勢(shì)壘貫穿（隧道效應(yīng)）相似。思考一：如果，會(huì)不會(huì)發(fā)生耦合？思考二：如果，會(huì)不會(huì)發(fā)生耦合？思考三：如果，是不是一定會(huì)發(fā)生耦合？發(fā)生耦合的條件是什么？19棱鏡耦合器滿足了上述的相位匹配條件，只能保證波導(dǎo)模式與棱鏡駐波模式之間可能發(fā)生耦合，但是具體的耦合效果由耦合系數(shù)和耦合長度共同決定。根據(jù)模式耦合理論（下一章會(huì)詳細(xì)介紹）可知，當(dāng)耦合系數(shù)和耦合長度滿足如下關(guān)系時(shí)，相位匹配的模式之間才能發(fā)生完全的能量交換其中，為棱鏡駐波模式與波導(dǎo)模式之間的耦合系數(shù)，它與確定模場尾形狀的、和有關(guān)，也與棱鏡底部和波導(dǎo)表面的間隙有關(guān);是棱鏡底部光束沿z方向的寬度。20棱鏡耦合器在耦合長度確定時(shí)，可以通過調(diào)節(jié)間隙的厚度以改變耦合系數(shù)，從而獲得高的耦合效率。完全耦合（100%耦合）條件是假定在光束的整個(gè)寬度內(nèi)，電場是均勻的，實(shí)際上對(duì)于高斯光束，最大耦合效率約為80%。即使是均勻光束，要想實(shí)現(xiàn)100%的耦合，光束的邊緣一定要恰好與棱鏡的直角頂點(diǎn)相交：如果光束入射得偏右，則部分入射功率或被反射或直接透射入波導(dǎo)，而不進(jìn)入棱鏡模式；如果光束入射得偏左，則部分已耦合入波導(dǎo)的功率將會(huì)重新耦合回棱鏡。21棱鏡耦合器棱鏡-波導(dǎo)耦合的光線模型入射到棱鏡底部1’、2’、3’點(diǎn)的光（相當(dāng)于次波源），在波導(dǎo)層上表面對(duì)應(yīng)的1、2、3點(diǎn)分別激勵(lì)起子波，這些子波相干疊加后形成波導(dǎo)模式。

等相位面22棱鏡耦合器波導(dǎo)層上表面2點(diǎn)處的光波是由兩部分光波相干疊加而成：由棱鏡底部2’點(diǎn)直接激勵(lì)產(chǎn)生，稱為直接波；由棱鏡底部1’點(diǎn)在波導(dǎo)層上表面1點(diǎn)直接激勵(lì)，然后在波導(dǎo)層中沿鋸齒形路徑傳播過來，稱為間接波。23棱鏡耦合器波導(dǎo)層上表面2點(diǎn)處直接波與間接波的相位差等于直接波由等相位面?zhèn)鞑サ?’點(diǎn)的相位（）減去間接波由1點(diǎn)傳播到2點(diǎn)的相位（），即結(jié)論：直接波與間接波同相，相干相漲疊加。24棱鏡耦合器通常在棱鏡耦合器中有大約近百個(gè)這樣的鋸齒，因此相干加強(qiáng)作用能很快地在波導(dǎo)層中激發(fā)起足夠強(qiáng)度的波導(dǎo)模式由于這個(gè)原因，相位匹配條件也叫做同步條件，用于激發(fā)各種不同波導(dǎo)模式的棱鏡入射角稱為同步角。25棱鏡耦合器當(dāng)棱鏡耦合器用做輸出耦合器時(shí)，不同階數(shù)的模式會(huì)以不同的角度輸出，可以用做模式分析工具。將棱鏡耦合器作為輸出耦合器沿波導(dǎo)的長度方向移動(dòng)，可以用于測(cè)量波導(dǎo)損耗，但是每次測(cè)量耦合功率時(shí)需對(duì)棱鏡施加相同的壓力，使得間隙（即耦合效率）保持不變。由于半導(dǎo)體波導(dǎo)的折射率通常較大（3~4），很難找到折射率滿足要求的棱鏡，所以很難用棱鏡耦合，所以棱鏡耦合通常用于玻璃波導(dǎo)。半導(dǎo)體激光器的發(fā)散角較大，因此不能用棱鏡耦合器件進(jìn)行有效耦合。26棱鏡耦合器觀察屏He-Ne激光器準(zhǔn)直器透鏡偏振器m線耦合棱鏡耦合棱鏡單模平板光波導(dǎo)m線照片四個(gè)導(dǎo)模的多模平板光波導(dǎo)m線照片27光柵耦合器光柵耦合器可以將直接照射波導(dǎo)層的光有效地耦合入波導(dǎo)模式中去。光柵耦合器具有平面結(jié)構(gòu)，適于批量生產(chǎn)，可使元件小型化，便于集成化，非常具有實(shí)用價(jià)值。光柵28光柵耦合器波導(dǎo)層中的導(dǎo)模通過光柵區(qū)域時(shí)，激發(fā)起衍射場，導(dǎo)模通過衍射光將能量傳輸?shù)礁采w層，構(gòu)成輸出耦合；反之，由覆蓋層照射到光柵的激光束，也可以把能量有效地耦合進(jìn)波導(dǎo)層，激勵(lì)起導(dǎo)模。光柵29光柵耦合器輸入光柵耦合器工作原理等相位面等相位面光柵方程:30光柵耦合器衍射光（波導(dǎo)層中的光）沿z向的傳播常數(shù)為光柵的周期性微擾引入的空間諧波級(jí)次為負(fù)（）的衍射光，其z向傳播常數(shù)有可能滿足導(dǎo)模傳播條件：；通過合理設(shè)計(jì)光柵周期或選擇入射角，能使某級(jí)衍射光的z向傳播常數(shù)與第階的導(dǎo)模傳播常數(shù)相等，即滿足相位匹配條件;滿足相位匹配條件的衍射光激勵(lì)起導(dǎo)模。31光柵耦合器適當(dāng)?shù)剡x擇光束的入射角度，光柵耦合器就可以用來選擇性地將光束能量耦合進(jìn)特定的波導(dǎo)模式中；同樣的道理，某一特定的波導(dǎo)模式的能量可以從對(duì)應(yīng)的某一特定角度耦合出來，所以光柵耦合器也可以用做輸出耦合器。光柵耦合器的主要缺點(diǎn)：入射光會(huì)形成很多級(jí)衍射光，但是只有某一級(jí)衍射光才與某階導(dǎo)模滿足相位匹配條件，大部分衍射光的能量透過波導(dǎo)層而損耗于襯底，所以光柵耦合器難以達(dá)到棱鏡耦合器那樣高的耦合效率。采用閃耀光柵可以大大提高光柵耦合器的耦合效率。32光柵耦合器光柵耦合器的主要優(yōu)點(diǎn)：一旦制作完畢，光柵耦合器就是波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的一個(gè)組成部分，所以它的耦合效率是一個(gè)恒定量，而且不隨外界條件明顯改變；光柵耦合器能用于高折射率半導(dǎo)體波導(dǎo)上，而這種波導(dǎo)難以找到合適的棱鏡材料。由于光柵耦合器對(duì)角度的依賴性大，所以它也不能有效地用于半導(dǎo)體激光器與波導(dǎo)的耦合。33光柵耦合器光柵條紋圖樣的形成兩束傾斜相交的相干激光束（由同一束激光分束得到）產(chǎn)生的干涉圖樣對(duì)光刻膠曝光，形成光柵圖樣。顯然，不能小于。34光柵耦合器全息光柵曝光棱鏡法：利用棱鏡可以比普通曝光法獲得更小的柵條間距。：棱鏡材料的折射率35光柵耦合器光刻膠經(jīng)過曝光后，使用標(biāo)準(zhǔn)方法顯影，在波導(dǎo)表面產(chǎn)生所需要的掩膜，再利用刻蝕方法（化學(xué)刻蝕或離子束刻蝕）制作光柵。作為刻蝕方法的替代，另一種在波導(dǎo)表面制作光柵結(jié)構(gòu)的方法是：用光刻膠限定形狀后，再在波導(dǎo)表面沉積薄膜條。用這種方法制成的光柵耦合器，有部分光會(huì)受到阻擋而進(jìn)不了波導(dǎo)，其散射和吸收損耗都要大于刻蝕光柵的值。36楔形耦合器楔形薄膜耦合器（尖劈形薄膜耦合器）是把薄膜波導(dǎo)的一端制成尖劈形薄膜區(qū)域而構(gòu)成的。楔形耦合的原理：低于截止條件的導(dǎo)模將能量轉(zhuǎn)移到輻射模。37楔形耦合器楔形薄膜耦合器工作原理如下圖所示導(dǎo)模進(jìn)入楔形區(qū)域內(nèi)傳播時(shí)，當(dāng)它傳播到薄膜厚度等于該導(dǎo)模的截止厚度處時(shí)，再往后傳播就開始轉(zhuǎn)換為襯底輻射模并由襯底輸出。38楔形耦合器從幾何光學(xué)角度看，進(jìn)入楔形區(qū)域的光線在上下界面之間每往返一次，它在下界面的入射角就減小（其中為楔形尖劈的頂角）；經(jīng)過多次往返，光線在下界面的入射角（）將小于該界面的全反射臨界角，光線開始折射入襯底。39楔形耦合器如果薄膜與襯底的折射率差遠(yuǎn)小于薄膜與覆蓋層的折射率差，則光線在經(jīng)歷若干次反射后將全部折射入襯底（折射角不同）；所以楔形尖劈的頂角很小時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)100%的輸出耦合效率。40楔形耦合器到達(dá)截止厚度以后，折射入襯底的光線的折射角是從90°（此時(shí)，光線沿z向傳播）開始減小的，所以輸出光線有一發(fā)散角；楔形尖劈的頂角越小，發(fā)散角也越小，而且輸出光束強(qiáng)度有一角分布，由零增至最大值后又減至零，尖劈的斜率越小，角分布就越尖銳。41楔形耦合器關(guān)于輸出光束強(qiáng)度的角分布，以平板波導(dǎo)中的TE模為例進(jìn)行說明，它在楔形尖劈的斜邊上發(fā)生全反射，在薄膜層的底部反射率為其中，和分別為薄膜層底部的入射角和折射角。在截止點(diǎn)，，透射幾乎為零；隨著離開截止點(diǎn)的距離增加，和減小，反射率迅速降低，折射光強(qiáng)隨之急劇增大；再往后，雖然透射率增大，但是由于反射光強(qiáng)的迅速減小，折射光強(qiáng)由最大值迅速減小到零。42楔形耦合器實(shí)例：薄膜層下表面全反射臨界角：折射角斜率：(a)1:30;(b)1:60;(c)1:150;(d)1:50043楔形耦合器楔形耦合器最大的優(yōu)點(diǎn)是能將導(dǎo)波光引向襯底一側(cè)，是性能優(yōu)良的輸出耦合器，適用于集成光電探測(cè)。楔形耦合器作為輸出耦合器時(shí)，輸出光束的發(fā)散角通常在1°~20°之間，如果在襯底輻射膜的出射方向開孔，插入光纖，可以實(shí)現(xiàn)薄膜波導(dǎo)同光纖的耦合。根據(jù)光路可逆原理，楔形耦合器也可以用做輸入耦合器，但是通常難以獲得匹配的會(huì)聚光束，所以用做輸入耦合器時(shí)一般只能得到非常低的