第三章 光波导耦合器
光波导理论与技术
激光雷达系统中的应用
总结词
光波导在激光雷达系统中发挥了重要作用，能够实现 高精度、高分辨率的测量和成像。
详细描述
激光雷达系统利用光波导作为传输介质，将激光雷达 发射出的光信号传输到目标物体上，并收集目标物体 反射回来的光信号。通过测量光信号的往返时间和角 度信息，可以实现对目标物体的距离、速度、形状和 表面特征等的测量和成像。光波导的高灵敏度和低损 耗特性使得激光雷达系统具有高精度、高分辨率和低 噪声等优点，在遥感测量、无人驾驶、机器人等领域 得到广泛应用。
光波导技术面临的挑战
制造工艺限制
目前，光波导器件的制造工艺仍 受限于材料和加工技术的限制， 难以实现更精细的结构和更高的
性能。
耦合效率问题
光波导器件之间的耦合效率是影响 光子集成回路性能的关键因素，如 何实现高效的光波导耦合仍是一个 挑战。
稳定性问题
光波导器件在温度、湿度等环境因 素下的稳定性问题仍需进一步研究 和改善。
开关分类
光波导开关可以分为电光开关、磁光开关和热光开关等。其中，电光开关是最常用的一种，其利用电场 改变光波导的折射率，实现对光信号的通断进行控制。
光波导耦合器
耦合器概述
光波导耦合器是一种利用光波导 结构实现光信号耦合的器件。通 过将两个或多个光波导连接在一 起，可以实现光信号在不同波导 之间的传输和能量转移。
光波导的波动理论
总结词
波动理论是描述光波在光波导中传播的基本理论。
详细描述
波动理论是研究光波在介质中传播的基础理论，它通过麦克斯韦方程组描述了 光波在空间中的分布和演化。在光波导中，波动理论用于分析光波的传播特性， 如相位速度、群速度、模场分布等。
《波导定向耦合器》课件
应用场景二：卫星通信
在卫星通信中，波导定向耦合器主要用于信号 的传输、分路和合成，实现卫星信号的定向耦
合和功率分配。
波导定向耦合器在卫星通信中还可以用于天线阵列的 信号处理，实现天线的相位和幅度控制。
卫星通信是波导定向耦合器的另一个重要应用 领域。
它能够提高卫星通信系统的信号传输效率和稳定 性，增强卫星通信系统的抗干扰能力。
结构分析
波导定向耦合器的结构通常由输入波导、主波导、副波导和输出波导组成。输入信号通过输入波导进入主波导，并在主波导 上产生多个谐振模。通过适当的结构设计，使得其中一个谐振模被强烈激励，而其他谐振模被抑制，从而实现信号的定向传 输。副波导的作用是提取被强烈激励的谐振模信号，并将其传输到输出波导中。
在选择使用哪种类型的波导定向耦合器时， 需要根据实际需求进行综合考虑。例如，对 于需要高集成度、小体积的应用场景，E面 波导定向耦合器是较好的选择；对于需要简 单结构、高可靠性的应用场景，H面波导定 向耦合器是较好的选择；对于需要便携式、 低成本的应用场景，微型波导定向耦合器是
较好的选择。
波导定向耦合器的
波导定向耦合器的
04
制造工艺
制造材料
金属材料
常用的金属材料包括铜、铝、不锈钢等，它们具有良好的导电性和机械强度， 适合用于制造波导定向耦合器。
绝缘材料
绝缘材料用于制造波导定向耦合器的介质层，常用的有聚乙烯、聚四氟乙烯等 ，它们具有良好的绝缘性能和耐高温性能。
制造流程
设计和绘图
01
根据设计要求，绘制波导定向耦合器的图纸，确定各部分的尺
制作样品并测试
根据优化后的设计参数，制作 波导定向耦合器样品，并进行 性能测试，验证设计效果。
设计参数
光波导模组构成
光波导模组构成
光波导模组通常由以下几个部分构成：
1. 光源：光波导模组需要一个光源来产生光线。
常见的光源包括LED （发光二极管）、LD（激光二极管）等。
2. 光波导：光波导是光波导模组的核心部分，用于引导光线传播。
它通常是由具有高折射率的材料制成，可以将光线限制在波导内部，并实现全内反射，从而减少光的泄漏和损耗。
3. 耦合器：耦合器用于将光源发出的光线高效地耦合进入光波导中。
它可以是直接将光源集成在光波导上的结构，也可以是通过透镜或棱镜等光学元件将光线导入光波导的结构。
4. 输出器：输出器用于将光波导中的光线导出，并将其聚焦或整形为所需的光斑形状和大小。
输出器可以是透镜、微透镜阵列、光栅等光学元件。
5. 控制器和驱动器：光波导模组可能需要控制器和驱动器来控制光源的亮度、调制频率等参数，以及实现与其他设备的通信和同步。
6. 封装和连接器：为了保护光波导模组并方便与其他系统连接，通常会使用封装材料将模组封装起来，并提供适当的连接器或接口。
这只是光波导模组的一般构成，具体的结构和组件可能会根据不同的应用和要求而有所变化。
超高速宽带通信中的光纤耦合器研究与设计
超高速宽带通信中的光纤耦合器研究与设计第一章引言超高速宽带通信已经成为了信息通信领域中的重要技术。
光纤通信的高带宽、低损耗、高信噪比等特性，使得其在超高速宽带通信技术中发挥着关键作用。
光纤耦合器则是实现光纤通信的重要组件之一。
本文将重点研究和探讨超高速宽带通信中的光纤耦合器，在此基础上进行设计和改进。
第二章光纤耦合器的原理光纤耦合器通常由多根光纤通过耦合器件的耦合作用而得到。
根据不同的耦合方式，常见的光纤耦合器有两个主要类型：直连式光纤耦合器和无源式光纤耦合器。
直连式光纤耦合器是指把两根光纤端对端连接，使其共同在同一被测量环境之下进行信号传输。
无源式光纤耦合器则是通过光学元件（例如棱镜、透镜和非线性晶体等）将两条纤维直通透过，使得两条光纤之间的光信号得以转移。
第三章光纤耦合器的应用光纤耦合器广泛应用于光通信领域，目前主要应用于高速通信、零位移、小尺寸化、光波导和光学传感等领域。
它能够提高光纤光路的一致性和差异系数，并提高网络稳定性和可靠性。
第四章光纤耦合器的设计原则在进行光纤耦合器的设计时，应遵循以下原则：1.合理选用耦合器类型；2.合理选择器件的参数；3.器件的耦合面和耦合角度要匹配，减小反射干扰；4.保证器件的密封性能和机械性能。
第五章光纤耦合器的设计流程光纤耦合器的设计流程主要包括以下几个阶段：1.确定设计目标，包括耦合器的带宽、损耗、反射等性能；2.确定材料、制造工艺和器件参数；3.进行光纤耦合器的仿真分析和性能测试；4.进行光纤耦合器的优化。
第六章光纤耦合器的改进方法为改善光纤耦合器的性能，可采用以下改进方法：1.采用合适的耦合面和耦合角度；2.利用特殊材料（例如光子晶体）材料取代原有的传统材料；3.采用高精度的器件加工工艺；4.结合微纳加工技术进行光纤环境的构建。
第七章结论光纤耦合器是重要的光通信组件之一，其性能对光通信系统的性能有直接影响。
因此，对于超高速宽带通信中的光纤耦合器的研究与设计是非常必要的，可是提高通讯质量和通讯速度，推动信息通信领域的发展。
聚合物材料在光电器件领域的应用研究
聚合物材料在光电器件领域的应用研究第一章：引言光电器件是指能够将光能转化为电能或者将电能转化为光能的设备，广泛应用于通信、能源、信息技术等领域。
随着科学技术的进步，新型材料的应用不断拓展着光电器件的性能和功能。
聚合物材料作为一类重要的新型材料，因其优良的导电性、光学性能等特点，被广泛研究和应用于光电器件领域。
本文旨在系统地阐述聚合物材料在光电器件领域的应用研究。
第二章：聚合物材料的基本特性聚合物是由大量重复单元组成的高分子化合物，具有多样的结构和性质。
聚合物材料的基本特性如下：1.导电性：聚合物材料可以根据需求进行掺杂或修饰，实现不同的导电性能。
例如，导电聚合物通过掺杂导电添加剂，可以具备一定的导电性能。
2.光学性能：聚合物材料的透明度和折射率可以根据不同的分子结构进行调控，使其在光电器件中具有优异的光学性能。
3.机械性能：聚合物材料具有良好的柔韧性和可塑性，可以通过加工和改性来调整其机械性能，满足光电器件在不同环境下的使用要求。
第三章：聚合物材料在太阳能电池中的应用太阳能电池是将太阳能直接转化为电能的设备，聚合物材料在太阳能电池中的应用是目前关注的研究领域之一。
1.有机太阳能电池：有机太阳能电池是一种基于聚合物材料的薄膜太阳能电池。
聚合物材料具有较低的成本、柔性和低功率消耗等特点，在太阳能电池领域具有广阔的应用前景。
2.钙钛矿太阳能电池：聚合物材料作为钙钛矿太阳能电池中的电子传输材料，可以提高光电转换效率、增强稳定性和延长寿命。
第四章：聚合物材料在光电显示器件中的应用光电显示器件以其高清晰度、低功耗等优势在消费电子领域得到广泛应用，而聚合物材料在其中扮演着重要的角色。
1.有机发光二极管（OLED）：OLED是一种基于聚合物材料的薄膜显示技术，具有自发光、大视角、高对比度等优势。
聚合物材料的研究和改进，可以提高OLED的发光效率、提高色彩还原度。
2.柔性显示器件：聚合物材料具有良好的柔韧性，可用于制备柔性显示器件，如柔性OLED、柔性显示电路等。
光纤通信-第三节光波导的横向耦合和耦合器
( 1 . 5 5 m )
Optical fiber communications
17.03.2019
当Input1和Input2同时有能量输入，两光场频率相同，位相不同。 Output1和Output2的输出功率比值范围是很大的。
波导没有损失和反射，即输入波导的功率等于输出波导的功率。 Pin1+P1n2=Pout1+Pout2
2
Optical fiber communications
17.03.2019
若：
2 P () z p ( 0 ) c o s k z 1 1
2 P () z p ( 0 ) s i n k z 2 1
A、两波导中传输功率的变化规律是能量在两波导中周期性的转换。 B、在波导中，光功率从P2(0)=0到z=L0处最大。 /k ，转换 此时，P1(L0)=0,即光功率全部耦合进第二波导，L 0 2 长度，取不同的长度，即可改变两耦合波导的输出功率比，这就是 定向耦合器的基本原理。
0 . 7 5 P 0 . 2 5 P c o s 1 2 1
0 . 2 5 P 0 . 7 5 P c o s 1 2 2
c o s c o s 1 2
P 1 P 2 P
1 3 2 P ( 0 . 7 5 P . 2 5 P ( )p o u t1 | m a x 1 0 2) 2 2 3 1 P 0 . 2 5 P 0 . 7 5 P p o u t2 m 1 2 i n 2 3 12 2 P ( 0 . 7 5 P . 2 5 P ( ) p o u t 1| m i n 12 0 2) 2
z=0, a1(0), a2(0)
Optical fiber communications
第三章 光功率分配器
第三章 光功率分配器
Bergh等人发明的光纤研磨法，将每根光 纤预先埋入玻璃块的弧形槽中，然后对 光纤的侧面进行研磨抛光，同时监视光 通量，研磨结束后，在磨面上加一小滴 匹配液，再将光纤拼接，做成光纤耦合 器。 克服了分立元件法的一些缺点，分光比 可调, 但制作困难，成品率低，环境特 性也不理想。
华南师大光电学院 黄旭光
第三章 光功率分配器
八十年代初开始用光纤熔融拉锥法。
将两根(或多根)除去涂覆层的光纤以一 定的方式靠拢，在高温加热下熔融，同 时向两侧拉伸，最终在加热区形成双锥 体形式的耦合波导结构。
制作光纤耦合器的主要方法，具有极低 的附加损耗(0.05dB)、方向性好(>60dB)、 稳定性好、方法简单、灵活、成本低廉、 适于批量生产等优势。
华南师大光电学院 黄旭光
第三章 光功率分配器
华南师大光电学院
黄旭光
第三章 光功率分配器
华南师大光电学院
黄旭光
第三章 光功率分配器
项 目 工作波长 插入损耗(最大．dB) 均匀性(±dB)
1(2)×3 1(2)×4 1(2)×8 1(2)×12 1(2)×16
1310、1550nm, 其他可选 5.3 0.5 7.0 0．6 10.6 1.2 13.2 L6 14.2 1.8
6） PDL 分别对各输出端口而言
j) / Max(P j)] PDL = -10lg [Min(P out 华南师大光电学院 out 黄旭光
第三章 光功率分配器
7) 隔离度(Isolation) 指光纤耦合器件的某一光路对其他光路 中的光信号的隔离能力。隔离度高，意 味着线路之间的“串话 "(crosstalk) 小 。
光波导耦合器
.
16
思考:如何制作一个1:2的耦合器？
宽的一端和 窄的一端哪 个走的能量 多？
能否用此结构，利
用分支1:2的宽度差
实现1:2分束比，为
什么？
.
17
可以通过改 变两分支宽 度比来改变 分光比，但 并不是成比 例的
.
18
使用这样 的渐变结 构是否可 行？
.
19
.
20
如果两端口尺寸完全一样折射率不 同会如何？
输出总功率为0.9070
附 加 耗 ： E L 1 0 lg 0 .9 0 7 0 (d B ) 0 .4 2 3 9 d B 1
分束比： 0.244： 0.244： 0.2095： 0.2095 0.9070 0.9070 0.9070 0.9070
=26.9%： 26.9%： 23.1%： 23.1%
左端折 射率差 0.011
右端折 射率差 0.01
思考：哪端光强 更大，为什么？
下端折
射率差
0.01 .
21
思考：继 续增大两 端折射率 差会有什 么现象
.
22
左端折 射率差 0.1
右端折 射率差 0.01
用Rsoft来尝 试验证一下
下端折 射率差 0.01
.
23
.
24
思考：如何设计一个分光比可调的Y 分支功分器？
哪个模式能量多？
高斯光
E1 E2
高斯光耦合进入单模平板波导后 怎么传输？有多少能耦合进去？
.
如果这个波导有
两个模式呢？
7
思考：两根光纤靠得非常近是否有损耗？
只间隔10微米
.
8
.
9
光耦合器的基本参数
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
P
i
outi
P in
( dB )
式中：Pouti为第i个输出口的输出功率；Pin为输 入光功率。
思考：对除星型耦合器外其他三种， 附加损耗的主要来源
Y分支
星型耦合
多模干涉
Байду номын сангаас
定向耦合
2. 插入损耗
插入损耗定义为指定输出端口的光功率相对全 部输入光功率的减少值。该值通常以分贝(dB) 表示，数学表达式为 P outi I . L i 10 lg ( dB ) P in 其中：ILi是第i个输出端口的插入损耗；Pouti是 第i个输出端口测到的光功率值；Pin 是输入端 的光功率值。
0.244 0.244 0.2095 0.2095 分束比： ： ： ： 0.9070 0.9070 0.9070 0.9070 = 26.9% ： 26.9% ： 23.1% ： 23.1%
思考:如何制作一个1:2的耦合器？
宽的一端和 窄的一端哪 个走的能量 多？ 能否用此结构，利 用分支1:2的宽度差 实现1:2分束比，为 什么？
1550 nm
1310 nm
马赫泽德干涉仪
思考：如何用集成光电子元件实现马 赫泽德干涉仪的结构？
使用两个 任意结构 的3dB耦 合器连接 都可以构 成马赫泽 德干涉仪
发挥你的想象 力，看这个结 构可以用来干 什么？
让我们一起实践使用Rsoft软件来设计一个光学 传感器
总结
• 了解耦合器的原理、性能评价指标 和常用结构 • 能够灵活设计耦合器，并解释相关 现象 • 能理解耦合器的各种应用
第三章 光波导耦合器
教师：宋军
光功分器
思考：空间光学如何实现光的分束
预思考：我们学过的知识里哪用过分束器？
什么原理？
思考：集成光电子技术里可以用于 功分器的原理
Y分支
星型耦合
多模干涉
定向耦合
思考：如何将光纤中的光耦合入波 导？
球透镜耦合结构
自聚焦透镜耦合
思考：能量耦合的初略计算
哪个模式能量多？
左端折 射率差 0.1
右端折 射率差 0.01
用Rsoft来尝 试验证一下
下端折 射率差 0.01
思考：如何设计一个分光比可调的Y 分支功分器？
思考：可 调分光可 以有什么 应用？
思考:如何制作一个1:2的耦合器？
拍长
π/kβ
Optical power
Propagation distance
一起设计Y分支耦合器
最终四束光功率分别为0.244、0.244、 0.2095、0.2095
分光比和附加损耗
• 最终四束光功率分别为0.244、0.244、0.2095、 0.2095 • 输出总功率为0.9070
附 加 耗 ： EL 10 lg 0.9070 1 ( dB ) 0.4239 dB
E1 E2
高斯光
高斯光耦合进入单模平板波导后 怎么传输？有多少能耦合进去？
如果这个波导有 两个模式呢？
思考：两根光纤靠得非常近是否有 损耗？
只间隔10微米
光耦合器的基本参数
1. 附加损耗
附加损耗定义为所有输出端口的光功率总和相 对于全部输入光功率的减小值。该值以分贝 (dB)表示的数学表达式为
什么是3dB耦合器？
3. 分光比
分光比(Coupling Ratio，CR)是光耦合器所 特有的技术术语，它定义为耦合器各输出端 口的输出功率相对输出总功率的百分比，在 具体应用中常用数学表达式表示为
C .R P outi
P
i
100%
outi
例如对于标准X形耦合器，1∶1或50∶50代 表了同样的分光比，即输出为均分的器件。
思考：这个器件是否可逆？
多模干涉耦合器
自映像现象
• 思考：如何才能成像？ • 不用透镜能成像的手段有哪些？
物理光学：泰伯效应
这里的多模干涉也是一种不用透 镜的成像现象
思考：如何让多模干涉后的像更清 晰？
从干涉的基本原理 思考
思考：多模干涉现象是否与波长有 关？ 让我们一起用Rsoft软件来验证， 根据现象来思考原因
可以通过改 变两分支宽 度比来改变 分光比，但 并不是成比 例的
使用这样 的渐变结 构是否可 行？
如果两端口尺寸完全一样折射率不 同会如何？
左端折 射率差 0.011 右端折 射率差 0.01
思考：哪端光强 更大，为什么？
下端折 射率差 0.01
思考：继 续增大两 端折射率 差会有什 么现象
3dB direction coupler
思考：这 个器件是 否与波长 有关？为 什么？
1550 nm
1310 nm
思考：这有什么用？
思考：定向耦合器是否可逆？
0.5W 0.5W 0.5W 0.5W
?
1W
光纤定向耦合器
思考：能否想出更简单的结构用波 导实现3dB定向耦合器？
现在让我们一起基于Rsoft软件来设计这个结构