《马赫-曾德尔干涉仪的设计》.docx

马赫-曾德尔干涉仪的设计一、 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干涉原理基丁两个相干单色光经过不同的光程传输后的干涉理论 MZ庄要由前后两个3dBt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：马赫-曾德干涉结构可用做光调制器，也可用做光滤波器1、马赫一曾德干涉仪的分光原理:设两耦合器的相位因子分别为 1, 2,当干涉仪一输入端注入强度为I0 （以电场强度表小为E0）光波时，可以推出两个输出端的光场强度I〔，I2（以电场强度分别表示为E1 ,E2）I1I2E12 E02 cos2( 1IE2I2 |E2 sin2( 1分别为:2 ・.2) sin(2 1)sin(2 2)sin ( VL/2)22) sin(2 1)sin(2 2)cos2( VL/2)式中，防传输常数；L L1 L2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： L 2 nL/C 2 /F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/n L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 d辟禺合器（即分光比为1:1）时，两耦合器的 相位因子为45,可以得到干涉仪输出端的强度传输系数分别如下：Ti图2给出了强度传输系数随输入光频率的变化曲线:图2马赫一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1, 2的光波时，如果二者的频差2 1与干涉仪自由程F满足关系式 (K 1/2)F ( K 0,1,2,)，则可以实现两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、马赫一曾德干涉仪的滤波原理马赫一曾德滤波器结构如图3所示：输入光功率R经第一个3dB耦合器等分为R和％两部分，他们分别在长度为L和L2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R Ei?Ei ,则输入光的电场强度可以表小为：Ei Aei i,其中ii表示光的偏振方向上的单位欠量经过第一个 3dB耦合器将输入光分成两束，每束光功率可表示为:A2pi p2 ~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 iEl ：2e(t Li / v).il； E2A i (t L2/v)."2e ’’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:输出光功率:EiPoA27[1cos v(Li L2) 2 21 ] A cos [—(Li L2)]v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 : ZPropagation direction: YMaterials — Dielectrici :Name: airRefractive index : i.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:i002D Wafer Properties 参数：Material : Lithium_Niobate3D Wafer Properties 参数：Cladding — Material: airCladding — Thickness: 2Substrate — Material: Lithium_NiobateSubstrate — Thickness: 103、添加波导和输入平■面: 所需波导参数如下：波导名称Start offsetEnd offsetWidthHorizont alVerticalHorizont alVerticalSbendSin10-205750-7.25默认Linear15750-7.259000-7.25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SbendSin8272507.253300020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: Modal Wavelength m: 1.32DK 面一Polarization: TMMes任 Number of points: 500 BPM solver: Paraxial Engine: Finite Difference Scheme Parameter: 0.5 Propagation Step: 1.3 Boundary Condition: TBC在设置完仿真参数后运行仿真并观察仿真结果The current oatpul file i 4： l我削档IjE面\1 ftEsoi4_l. bi>a It^rati^ri 1 started.Tt&r fil i an. 1 fi ni eucc*ee.fullySimulation finishtd.File Preferencess ■?► II ■E」犬 E3 L K涟KURe m a [ PhdB7.Iht current output il i s 土我曲文档k点面 Miaion^L bp*It 叮 Mion 1 wturted-on 1 fi ni ^had succi^sfully[SEEFile ^inulation Preferences 耳桔 Ipsson4. bp d = Op tiBPI SinuXatojT 2D 9.、 亦H eiB— w时 ■: 2 顶, B— 2顼.I 100Cut YewThe ctirrent output file u d：，我的文档，桌面P.心8n4_lL hpa Iterati o-n 1 started.11er ati on 1 im shed successftally.Simulation finish^d.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。

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