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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 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E 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） I1I I1 I2 E12 E02 cos2( 1 IE2I2 |E。2 sin2( 1 2 ?. 2) sin(2 1)sin(2 2)sin ( VL/2) 2 2) 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 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: 束光功率可表示为: A2 pi 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 为: A i El ：2e (t Li / v). il； E2 A 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:E 输出光功率: Ei PoA27 Po A2 7[1 cos v (Li L2) 2 2 1 ] 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_Niobate Crystal cut : Z Propagation direction: Y Materials — Dielectrici : Name: air Refractive index : i.0 Profiles — Diffusion-Ti:LiNbo3 Name: TiLiNbO3 Group I — lateral diffusion length :3.5 Group I — Diffusion length in depth 4.2 2、 晶体参数： Waveguide Properties 参数： Width : 8.0 Profile : TiLiNbO3 Wafer Dimensions 参数： Length: 33000 Width:i00 2D Wafer Properties 参数： Material : Lithium_Niobate 3D Wafer Properties 参数： Cladding — Material: air Cladding — Thickness: 2 Substrate — Material: Lithium_Niobate Substrate — Thickness: 10 3、添加波导和输入平■面: 所需波导参数如下： 波导名称