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1、实验三：集成波导马赫-曾德尔干涉仪一、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1 MZI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气,中2,当干涉仪一输入端注入强度为10 （以电场强度表示为E ）光波时，可以推出两个输出端的光场强度1,1 （以电场强度分别表示为E ,E
2、） 01 212分别为：I = E |2 = |e |2 cos2 （9 +中）+ sin（2中）sin（2 中）sin 2（ p 口 L / 2）I = E |2 = |E I2 sin2 （9 一9 ） + sin（29 ）sin（2 9 ）cos 2（ p 口 L / 2）式中，圈传输常数；AL=%一L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：PAL = 2mnAL/C = 2m/F。（ u为光的频率；n为光纤纤心的折射率：C为真空中 的光速；F = C/nAL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3 dB耦合器（即分光比为1: 1）时，两耦合器的 相
3、位因子为45 0,可以得到干涉仪输出端的强度传输系数分别如下：II07J2 = - h - cos（2兀u/ F）E I220T =。=段=-11 + cos(2 兀u/F)2匕I引2 2图2给出了强度传输系数随输入光频率的变化曲线：V 轮V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u,u的光波时，如果二者的频差Au
4、=u -u与干涉仪自由程F满足关系式Au = (K +1/2) F (K = 0,1,2,)，则可以实现两 21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：A图3马赫-曾德干涉仪滤波器原理图输入光功率P经第一个3dB耦合器等分为P和P两部分，他们分别在长度为L和 ii1i 21L2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P泛EE*，则输入光的电场强度可以表示为： i i iE Aeiti其中，；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:ccA
5、2ii i 2 2假设经过L1和L2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:A .E = 2 ei（t-L1/vh ； E = em（t-Ljv）i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:A E = E + E =A2P x E E* =1 + cos。2输出光功率:(L1-L2) = A2COS2m (L -L )vv 12三、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:Crystal name: Lithium_NiobateCrystal cut
6、:ZPropagation direction: YMaterials - Dielectricl:Name: airRefractive index: 1.0Profiles - Diffusion-Ti:LiNbo3Name: TiLiNbO3Group I - lateral diffusion length :3.5Group I - Diffusion length in depth 4.22、晶体参数：Waveguide Properties 参数：Width: 8.0Profile:TiLiNbO3Wafer Dimensions 参数：Length: 33000Width:10
7、02D Wafer Properties 参数：Material: Lithium_Niobate3D Wafer Properties 参数：CladdingMaterial: airCladdingThickness: 2SubstrateMaterial: Lithium_NiobateSubstrateThickness: 103、添加波导和输入平面：所需波导参数如下：波导名称Start offsetEnd offsetWidthHorizontalVerticalHorizontalVerticalSbendSin10-205750-7.25默认Linear15750-7.25900
8、0-7.25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Sb
9、endSin8272507.253300020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Z position的值设置为0.0000。4、仿真：仿真参数：Global Data页面-Reference Index: ModalWavelength m: 1.32D页面-Polarization: TMMeshNumber of points: 500BPM solver: ParaxialEngine: Finite DifferenceScheme Parameter: 0.5Propagation Step: 1.3Boundary Condition: TB
10、C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。六、提交报告要求：提交的实验报告应有基本原理分析、设计流程图、处理结果和设计原程序。七、参考文献：(1) OptiBPM Users Reference. Optiwave Corporation. 2003(2) OptiBPM Technical Background and Tutorials. Optiwave Corporation, 2003(3) WDM中马赫-泽恩德干涉仪(MZI)应用及其性能分析。洪媛，郑玉甫。甘肃 科技，2005, 21( 1), 62-63(4) 马赫-曾德尔光纤干涉仪的研制及应用。张洪喜。计测技术，2006, 26(1),29-30(5) 光纤马赫一曾德干涉仪在自发布里渊散射测量中的应用。何玉均，尹成群，李 永倩，张福才。华北电力大学学报，2002, 29( 4), 73-75(6) 光纤通信系统。顾畹仪，李国瑞。北京邮电大学出版社，1999
