第七章波導輸入和輸出耦合器教師：張旨遙辦公地點：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，耦合就是指兩個物體之間存在直接關系，相互影響。什么是光耦合？通常是指兩個或兩個以上的光學元器件或光網絡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向另一側傳輸能量的現象。基于光耦合原理制作的各種光耦合器在集成光學中具有重要的應用：波導輸入和輸出耦合器、光功率的分配、濾波、偏振選擇、調制、光開關等。2光耦合原理光耦合器的基本性質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（或耦合出）波導的百分比，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（出）波導的功率；為耦合前光束的總功率。模式選擇性：將光功率耦合進特定波導模式，或將特定波導模式的光功率耦合出波導。3光耦合原理對于一個選模耦合器，可以分別確定每個模式的耦合效率。百分比表示：分貝表示：其中，為耦合進（出）第階模式的功率；為耦合前光束的總功率。對于多模耦合器，通常用總值表示耦合效率。耦合效率非常強烈地依賴于光束場和波導模場的匹配程度。4橫向耦合器橫向耦合器：光束直接聚焦在波導外露截面上。對自由空間（空氣）中的光束來說，可以使用一個透鏡來完成這種聚焦。兩塊波導之間的橫向耦合，可以通過將它們經過拋光或解理了的橫截面對接在一起來實現。激光束與波導橫向耦合最簡單的方法是直接聚焦（或稱為端焦法）。波導既可以是平面型，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模式的轉移是通過光束場和波導模場的匹配來完成的。由入射光束的場分布與波導模場分布的重疊積分可以計算出耦合效率。以平板波導為例，耦合效率的計算式為其中，為輸入激光束的振幅分布，為第階導模的振幅分布。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基模之間的耦合（原則上講，耦合效率可以接近100%）。為實現最佳耦合，光束直徑一定要與波導厚度匹配，并且要嚴格對準（由于對準誤差，通常可達到的耦合效率約為60%）。端焦法很方便，實驗室常常采用這種方法，但是在沒有光學平臺的情況下要保持對準是非常困難的，這就限制了端焦法的實際應用。7橫向耦合器平行端接耦合是實現波導與半導體激光器（或波導）之間耦合的有效方法。波導層厚度可以制作成與半導體激光器的發光層厚度相當，并且激光器的基模場分布與波導的基模場分布相似，所以平行端接耦合能實現兩者的高效耦合。8橫向耦合器一個工作在TE0基模態的激光二極管與平板波導進行耦合，TE模間的耦合效率可以表示為上式假設所有波導模式都受到很好限制，并且波導的波導層厚度小于激光器的發射層厚度，即。思考：為什么與奇數階導模不發生耦合？9橫向耦合器下圖為GaAs激光二極管與玻璃襯底Ta2O5波導的耦合效率與波導厚度的關系曲線。如果，最低階導模（）的耦合效率理論值可接近100%，此時，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激光器與波導完全對準時的最佳值，實際上耦合效率對于x方向（波導層厚度方向）的橫向對準偏差是非常敏感的。波導相對于激光器橫向位移為時，耦合效率按如下規律減小:無橫向位移（）時的耦合功率:有橫向位移（）時的耦合功率上式假設和。11橫向耦合器實例：和。虛線：理論計算值實線：實驗測量數據12橫向耦合器激光器與波導在z方向（光傳播方向）之間的間距對于耦合效率也是非常關鍵的，要實現最佳耦合，間距需控制在波長量級的精度。耦合效率的整體下降趨勢由衍射效應引起。曲線的振蕩形狀由激光器和波導之間F-P共振效應引起。激光器和波導之間用折射率匹配液可消除振蕩效應。13棱鏡耦合器如何將光耦合進橫截面沒有露在外部但是表面露出來的波導中去？能否像下圖一樣，以某傾角將光聚焦在波導表面，實現耦合？為了實現耦合，必須滿足相位匹配條件，即z向傳播常數相等，也即要求：通常情況下導模條件：圖示直接聚焦照射的方法顯然無法實現與導模之間的耦合。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（）棱鏡壓在平板波導上，棱鏡底部與波導層的表面之間有一很窄的空氣間隔（或折射率匹配液），構成棱鏡-波導耦合系統。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，光束發生全反射，在棱鏡中沿x方向形成駐波模式，類似于波導模式，沿z方向以傳播常數傳播。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中導模的倏逝波尾部分重疊，并且滿足，就能發生棱鏡駐波模式與第階波導模式的能量相干耦合。輸入棱鏡耦合器輸出棱鏡耦合器17棱鏡耦合器耦合發生時的相位匹配條件：調整光束入射角可以將能量耦合進不同階數的波導模式中。對于輸出棱鏡耦合器，如果波導中存在多階導模，各階模式在棱鏡中的輸出角也是不同的（對于平板波導，將形成m線）。單模平板光波導m線照片四個導模的多模平板光波導m線照片18棱鏡耦合器在棱鏡-波導耦合系統中，入射光束在棱鏡中發生全反射，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隧道效應，它與量子力學中的勢壘貫穿（隧道效應）相似。思考一：如果，會不會發生耦合？思考二：如果，會不會發生耦合？思考三：如果，是不是一定會發生耦合？發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，只能保證波導模式與棱鏡駐波模式之間可能發生耦合，但是具體的耦合效果由耦合系數和耦合長度共同決定。根據模式耦合理論（下一章會詳細介紹）可知，當耦合系數和耦合長度滿足如下關系時，相位匹配的模式之間才能發生完全的能量交換其中，為棱鏡駐波模式與波導模式之間的耦合系數，它與確定模場尾形狀的、和有關，也與棱鏡底部和波導表面的間隙有關;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，可以通過調節間隙的厚度以改變耦合系數，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寬度內，電場是均勻的，實際上對于高斯光束，最大耦合效率約為80%。即使是均勻光束，要想實現100%的耦合，光束的邊緣一定要恰好與棱鏡的直角頂點相交：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，而不進入棱鏡模式；如果光束入射得偏左，則部分已耦合入波導的功率將會重新耦合回棱鏡。21棱鏡耦合器棱鏡-波導耦合的光線模型入射到棱鏡底部1’、2’、3’點的光（相當于次波源），在波導層上表面對應的1、2、3點分別激勵起子波，這些子波相干疊加后形成波導模式。

等相位面22棱鏡耦合器波導層上表面2點處的光波是由兩部分光波相干疊加而成：由棱鏡底部2’點直接激勵產生，稱為直接波；由棱鏡底部1’點在波導層上表面1點直接激勵，然后在波導層中沿鋸齒形路徑傳播過來，稱為間接波。23棱鏡耦合器波導層上表面2點處直接波與間接波的相位差等于直接波由等相位面傳播到2’點的相位（）減去間接波由1點傳播到2點的相位（），即結論：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這樣的鋸齒，因此相干加強作用能很快地在波導層中激發起足夠強度的波導模式由于這個原因，相位匹配條件也叫做同步條件，用于激發各種不同波導模式的棱鏡入射角稱為同步角。25棱鏡耦合器當棱鏡耦合器用做輸出耦合器時，不同階數的模式會以不同的角度輸出，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的長度方向移動，可以用于測量波導損耗，但是每次測量耦合功率時需對棱鏡施加相同的壓力，使得間隙（即耦合效率）保持不變。由于半導體波導的折射率通常較大（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。半導體激光器的發散角較大，因此不能用棱鏡耦合器件進行有效耦合。26棱鏡耦合器觀察屏He-Ne激光器準直器透鏡偏振器m線耦合棱鏡耦合棱鏡單模平板光波導m線照片四個導模的多模平板光波導m線照片27光柵耦合器光柵耦合器可以將直接照射波導層的光有效地耦合入波導模式中去。光柵耦合器具有平面結構，適于批量生產，可使元件小型化，便于集成化，非常具有實用價值。光柵28光柵耦合器波導層中的導模通過光柵區域時，激發起衍射場，導模通過衍射光將能量傳輸到覆蓋層，構成輸出耦合；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波導層，激勵起導模。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（波導層中的光）沿z向的傳播常數為光柵的周期性微擾引入的空間諧波級次為負（）的衍射光，其z向傳播常數有可能滿足導模傳播條件：；通過合理設計光柵周期或選擇入射角，能使某級衍射光的z向傳播常數與第階的導模傳播常數相等，即滿足相位匹配條件;滿足相位匹配條件的衍射光激勵起導模。31光柵耦合器適當地選擇光束的入射角度，光柵耦合器就可以用來選擇性地將光束能量耦合進特定的波導模式中；同樣的道理，某一特定的波導模式的能量可以從對應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：入射光會形成很多級衍射光，但是只有某一級衍射光才與某階導模滿足相位匹配條件，大部分衍射光的能量透過波導層而損耗于襯底，所以光柵耦合器難以達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點：一旦制作完畢，光柵耦合器就是波導結構的一個組成部分，所以它的耦合效率是一個恒定量，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體波導上，而這種波導難以找到合適的棱鏡材料。由于光柵耦合器對角度的依賴性大，所以它也不能有效地用于半導體激光器與波導的耦合。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）產生的干涉圖樣對光刻膠曝光，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過曝光后，使用標準方法顯影，在波導表面產生所需要的掩膜，再利用刻蝕方法（化學刻蝕或離子束刻蝕）制作光柵。作為刻蝕方法的替代，另一種在波導表面制作光柵結構的方法是：用光刻膠限定形狀后，再在波導表面沉積薄膜條。用這種方法制成的光柵耦合器，有部分光會受到阻擋而進不了波導，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）是把薄膜波導的一端制成尖劈形薄膜區域而構成的。楔形耦合的原理：低于截止條件的導模將能量轉移到輻射模。37楔形耦合器楔形薄膜耦合器工作原理如下圖所示導模進入楔形區域內傳播時，當它傳播到薄膜厚度等于該導模的截止厚度處時，再往后傳播就開始轉換為襯底輻射模并由襯底輸出。38楔形耦合器從幾何光學角度看，進入楔形區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小于薄膜與覆蓋層的折射率差，則光線在經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，可以實現100%的輸出耦合效率。40楔形耦合器到達截止厚度以后，折射入襯底的光線的折射角是從90°（此時，光線沿z向傳播）開始減小的，所以輸出光線有一發散角；楔形尖劈的頂角越小，發散角也越小，而且輸出光束強度有一角分布，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楔形耦合器關于輸出光束強度的角分布，以平板波導中的TE模為例進行說明，它在楔形尖劈的斜邊上發生全反射，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，，透射幾乎為零；隨著離開截止點的距離增加，和減小，反射率迅速降低，折射光強隨之急劇增大；再往后，雖然透射率增大，但是由于反射光強的迅速減小，折射光強由最大值迅速減小到零。42楔形耦合器實例：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點是能將導波光引向襯底一側，是性能優良的輸出耦合器，適用于集成光電探測。楔形耦合器作為輸出耦合器時，輸出光束的發散角通常在1°~20°之間，如果在襯底輻射膜的出射方向開孔，插入光纖，可以實現薄膜波導同光纖的耦合。根據光路可逆原理，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聚光束，所以用做輸入耦合器時一般只能得到非常低的