马赫-曾德尔干涉仪的设计

马赫-曾德尔干涉仪的设计一、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1MZI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12,,当干涉仪一输入端注入强度为0I(以电场强度表示为0E)光波时，可以推出两个输出端的光场强度12,II(以电场强度分别表示为12,EE)分别为：2222110121222222201212cos()sin(2)sin(2)sin(/2)sin()sin(2)sin(2)cos(/2)IEELIEEL式中，β为传输常数；12LLL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：2/2/LnLCF。（为光的频率；n为光纤纤心的折射率：C为真空中的光速；/FCnL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3dB耦合器(即分光比为1：1)时，两耦合器的相位因子为045，可以得到干涉仪输出端的强度传输系数分别如下：2111200222220011cos(2/)211cos(2/)2EITFIEEITFIE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12,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(1/2)KF(0,1,2,K)，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iP经第一个3dB耦合器等分为1iP和2iP两部分，他们分别在长度为1L和2L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iiiPEE，则输入光的电场强度可以表示为：itilEAei其中li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：2122iiAPP假设经过1L和2L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：12(/)(/)12;22itLvitLvllAAEeiEei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：12(/)(/)12E[]2itLvitLvAEEee输出光功率：2221212()[1cos]cos[()]2oALLPEEALLvv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：Crystalname:Lithium_NiobateCrystalcut:ZPropagationdirection:YMaterials－Dielectric1：Name:airRefractiveindex：1.0Profiles－Diffusion-Ti:LiNbo3Name:TiLiNbO3GroupI－lateraldiffusionlength:3.5GroupI－Diffusionlengthindepth4.22、晶体参数：WaveguideProperties参数：Width：8.0Profile：TiLiNbO3WaferDimensions参数：Length:33000Width:1002DWaferProperties参数：Material：Lithium_Niobate3DWaferProperties参数：Cladding—Material:airCladding—Thickness:2Substrate—Material:Lithium_NiobateSubstrate—Thickness:103、添加波导和输入平面：所需波导参数如下：波导名称StartoffsetEndoffsetWidthHorizontalVerticalHorizontalVerticalSbendSin10-205750-7.25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Linear457507.2590007.25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Zposition的值设置为0.0000。4、仿真：仿真参数：GlobalData页面－ReferenceIndex:ModalWavelengthm:1.32D页面－Polarization:TMMesh—Numberofpoints:500BPMsolver:ParaxialEngine:FiniteDifferenceSchemeParameter:0.5PropagationStep:1.3BoundaryCondition: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。