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 ,当干涉仪一输入端注入强度为 (以电场强度120I表示为 )光波 时，可以推出两个输出端的光场强度 (以电场强度分别表示为 )0E12,I
2、 12,E分别为： 22 21011cos()sin()sin(/)i2icoIEL A式中，为传输 常数； 为干涉仪两臂的长度差，它在干涉仪两臂之间引入的相位12L差： 。（ 为光的频率；n为光纤纤心的折射率：C为真空中的光速；2/LnCF为马赫一曾德干涉仪的自由程。/FCnL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，两耦合器的相位因子为 ，可以得到干涉仪输出端的强度传输系数分别如下：0452110220cos(/)/EITFI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
3、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 的光波时，如果二者的频差1,与干涉 仪自由程 F 满足关系式 ( )，则可以实现两21 (/)KF0,1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 经第一个 3dB 耦合器等分为 和 两部分，他们分别在长度为 和iP1iP2i 1L
4、的光波导中传输后，经过 第二个 3dB 耦合器合在一起。2L设输入光功率 ，则输入光的电场强度可以表示为：iiEitilEAe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li束光功率可表示为： 21iiAP假设经过 和 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1L2为： 1 2(/) (/)12; 2itLvitLvl lAAEeEei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(/)(/)12itLvitLve输出光功率： 2 21 12()coscos()oALPEALvv三、实验内容：利用 OptiBP
5、M6.0 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：MaterialsDiffused ：Crystal name: Lithium_NiobateCrystal cut :ZPropagation direction:YMaterialsDielectric1：Name: airRefractive index：1.0ProfilesDiffusion-Ti:LiNbo3Name: TiLiNbO3Group Ilateral diffusion length :3.5Group IDiffusion length in depth 4.22、晶体参数：Wave
6、guide Properties参数：Width：8.0Profile：TiLiNbO3Wafer Dimensions 参数：Length: 33000Width:1002D 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：Start offset End offset波导名称H
7、orizontal Vertical Horizontal Vertical WidthSbendSin1 0 -20 5750 -7.25 默认Linear1 5750 -7.25 9000 -7.25 默认SbendSin2 9000 -7.25 11500 -16 默认Linear2 11500 -16 21500 -16 默认SbendSin3 21500 -16 24000 -7.25 默认Linear3 24000 -7.25 27250 -7.25 默认SbendSin4 27250 -7.25 33000 -20 默认SbendSin5 0 20 5750 7.25 默认Lin
8、ear4 5750 7.25 9000 7.25 默认SbendSin6 9000 7.25 11500 16 默认Linear5 11500 16 21500 16 默认SbendSin7 21500 16 24000 7.25 默认Linear6 24000 7.25 27250 7.25 默认SbendSin8 27250 7.25 33000 20 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:
9、 1.32D页面Polarization: TMMeshNumber of points: 500BPM solver: ParaxialEngine: Finite DifferenceScheme Parameter: 0.5Propagation Step: 1.3Boundary Condition: 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。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
10、. 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
