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光——波导的边耦合

时间:2012-02-15来源:辉鹏网络 作者:xiaowu 点击:
内容提要: 波导的边耦合是一种简单而高校的结构。
  

  粗略地考察一下直接边耦合(或称之为平接)。这是一种简单而高效的结构。一个半导体激光器或发光二极管在中心薄膜的边缘与波导直接相连。有几个问题需要特别注意。要使光从光源向中心薄膜尽可能高效传输,要求光源的发光面积不大于中心薄膜端面的面积。否则,光源发出的部分光会入射到非导光层,这部分光能量显然就损耗掉了。前面已经介绍过,中心薄膜厚度为1µm的平板波导仅仅支持几个传播模式。由于光源的功率输出能力与其尺寸大小是成正比的,所以尺寸在1µm左右的光源的输出功率是很低的。

  第二个问题是,光源辐射的横模式与波导允许传播的模式之间的差异。显然,只有当这些模式完全相同时,才能得到较高的耦合效率。换句话说,就是其模式必须要匹配。另外,也可以采用不同模式相关的光线差异来分析这个问题。每个允许的传播模式对应着一个在掩模中以特征角p沿z字形路径传输的平面波。为了激起这个特定模式,必须保证入射到平板波导中的光线能满足所要求的θ值。LED和半导体激光器都是在一定的角度范围内发光的。若这个范围大于波导的接收角,会损失部分功率。只有接收角内的光线才会被约束在波导内。同时,落入接收角内的入射光线,若不满足中心薄膜允许的离散传输角度条件,其功率也将被损耗。

  发现当归一化厚度比较小时,只存在很少的几个模式,而且所对应的传输角间隔比较大。入射角必须与这些角度相匹配时才能较好耦合。对于支持很多模式的波导,这些分散的可传播角间隔很小。模式图中也描述了在归一化厚度较大时的情形。在这种情况下,波导将束缚所有在接收角内的光线。前面已经提到过,数值孔径在衡量厚度足够大、能支持多个模式的波导的角聚光能力是非常有用的参数。实际使用的很多光纤就是这种情形。对于一个薄的中心薄膜,可接收功率由入射光角度与波导允许传播模式角度的匹配程度决定。当波导中仅允许一个(或很少几个)模式存在时,则入射场模式与这些模式的匹配与否对决定耦合效率至关重要。在波导支持大数量的传播模式时,入射光会将其能量分配到各个传播模式上。

  在波导中,没有被束缚在中心薄膜中的光仍然是可以观测到的。这些非束缚光是因为没有被100%地反射而产生的,或者说是部分反射的。可以形象地将这些光理解为沿z字形上下传输。由于在每次反射中都有辐射损失,因而其幅度不断减小。在长波导的末端,辐射模的幅度可以忽略。但如果传输距离较短,其幅值也是可观的。有的光线甚至可能在上层波导材料和下层波导材料的外边界以临界角全反射而被束缚在波导内。


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