耦合棱镜
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透镜
耦合棱镜
He-Ne 激光器
准直器
偏振器
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
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。

m cm
9
tg cos 2 2 2 m 1 nL n g 2t L 64

nL n g

2
归一化因子
反射因子
1
2 g
tg
tL t 波导的TE导模阶数 1 2 2 面积失配因子 m 1 t L 思考：为什么与奇数阶导模 交叠因子 不发生耦合？
如果 t g t L，最低阶导 模（m 0）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。
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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 X 时，耦合效率按如下 规律减小
棱镜耦合器
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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（np k0l sinm）减 去间接波由1点传播到2点的相位（ m l ），即
np k0l sinm m l m l m l 0
结论：直接波与间接波同相，相干相涨叠加。
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虚线：理论计算值 实线：实验测量数据
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。
k0n3 k0n2 m k0n1 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。
棱镜耦合器
棱镜耦合器的工作原理如下图所示
输入棱镜耦合器
15
x
y
输出棱镜耦合器
np
n3
n1
n2
z
m
p
m0
0
m 1
1
• 用夹具将高折射率（ np n1 ）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。
P 2X cos P0 t L
P0 :无横向位移（X 0）时的耦合功率
P
11
:有横向位移（X 0）时的耦合功率
上式假设 t g t L 和 X t L t g 2 。
横向耦合器
t L 5.8 m 和 t g 2.0m 。 实例：
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： cm 分贝表示： cm
Pin / out Pt
3
Pt 10log Pin / out
1 10log cm
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x
y
输出棱镜耦合器
np
n3
n1
n2
z
m
p
m0
0
m 1
1
• 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 p m ，就能发生棱镜驻波模 式与第 m 阶波导模式的能量相干耦合。
棱镜耦合器
耦合发生时的相位匹配条件：
7
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
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
棱镜耦合器
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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 m 称为同步角。
棱镜耦合器
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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。
y
5
z
波导既可以是平面型，也 可以是通道型。
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
m cm * A x B x dx * * A x A x dx B x B x dx 2
m cos 2
2
m 0,1, 2
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 t g t L 。
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。
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光栅
n3 n1
n2
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。
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光栅
n3 n1
n2
光栅耦合器
输入光栅耦合器工作原理
等相位面
30
m
n3
n1 n2
p k0np sinm m
18
• 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
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 np n3 ，会不会发生耦合？ 思考二：如果 n3 np n1 ，会不会发生耦合？ 思考三：如果 np n1 ，是不是一定会发生耦合？发生 耦合的条件是什么？
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棱镜耦合器
棱镜-波导耦合的光线模型
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等相位面
np
m
n3
n1
1' 1
m
l
l sin m
2' 2
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。 x
y
3' 3
z
棱镜耦合器
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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。
Pin / out 为耦合进（出）波导的功率； Pt 为耦合前光 其中， 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。
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。
m 百分比表示： cm m Pin / out Pt
4
分贝表示：
13
棱镜耦合器
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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 x m y z 等，也即要求： n
3
n1 n2
m
m k0n3 sinm
通常情况下
n1 n2 n3
6
A x 为输入激光束的振幅分布， B x 为第 m 阶导 其中， 模的振幅分布。
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。
其中，为棱镜驻波模式与波导模式之间的耦合系数， n1 和 n3 有关，也与棱镜底 它与确定模场尾形状的 np 、 部和波导表面的间隙 s 有关;
L
是棱镜底部光束沿z方向的宽度。
棱镜耦合器
在耦合长度 L 确定时，可以通过调节间隙的厚度 s 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。