基于绝缘体上硅脊型纳米线光波导方向耦合器的TE_TM偏振分束器
47, 051301 (2010) ?2010 中国激光杂志社doi: 10.3788/lop47.051301
基于绝缘体上硅脊型纳米线光波导方向耦合器的
TE/TM偏振分束器
王剑威戴道锌时尧成杨柳
(浙江大学现代光学仪器国家重点实验室光及电磁波研究中心，浙江 杭州 310058)摘要利用有限元方法和时域有限差分方法，优化设计了一种结构紧凑的基于绝缘体上硅脊型纳米线光波导方向耦合器的TE/TM偏振分束器。考虑到方向耦合器的波导间隙较小时制作工艺较为困难，且模式失配会引入一些损耗，因此波导间隙取约100 nm较为合适。通过优化脊型纳米线光波导的几何尺寸(脊高和脊宽)、耦合区波导间隙，使得偏振分束器长度最短。数值计算结果表明经过优化的偏振分束器最短长度大约为17.3 μm，偏振分束器的消光比大于15 dB时，波导宽度制作容差为－20～10 nm，带宽约为50 nm。
关键词集成光学；偏振分束器；方向耦合器；绝缘体上硅
中图分类号 O436 OCIS 130.5440 230.1360 文献标识码 A
Design of Compact TE/TM Polarization Beam Splitter Based on Silicon-on-Insulator Ridge Nanowire Directional Coupler Wang Jianwei Dai Daoxin Shi Yaocheng Yang Liu
(Centre of Optical and Electromagnetic Research, State Key Laboratory for Modern Optical Instrumentation, Zhejiang
University, Hangzhou, Zhejiang 310058, China)
Abstract A compact TE/TM polarization beam splitter (PBS) based on a silicon-on-insulator (SOI) ridge nanowire directional coupler is designed and optimized by using a finite-element method (FEM) and a finite difference time domain (FDTD) method. Considering the fabrication precision and the mode mismatching loss in a directional coupler, a gap width about 100 nm is chosen. The ridge height, the ridge width and the gap of two parallel nanowires are optimized to have the shortest length for the polarization splitter. The numerical simulations show that the optimized PBS has a short length of about 17.3 μm, and the waveguide width has a fabrication tolerance of about－20~10 nm, and the bandwidth is about 50 nm when the extinction ratios for both polarizations are larger than 15 dB.
Key words integrated optics; polarization beam splitter; directional coupler; silicon-on-insulator
1 引言
近年来，基于绝缘体上硅(SOI)材料的硅纳米线光波导已成为集成光学领域的研究热点。硅纳米线光波导具有折射率差大、弯曲半径小(约2 μm)、与CMOS制造工艺兼容、可实现超高集成度等优点[1,2]。目前已经研制了很多种超小尺寸硅纳米光波导器件，如阵列波导光栅[3,4]、微环谐振器[5,6]、功分器[7,8]等。偏振
收稿日期：2009-08-02; 收到修改稿日期：2009-11-23
基金项目：国家自然科学基金(60607012)(和浙江省自然科学基金(J20081048))资助课题。
作者简介：王剑威(1986—)，男，硕士研究生，主要从事硅基集成光子器件及其在光通信、光传感以及光互联等方面的研究。E-mail: wangjianwei@https://www.wendangku.net/doc/ad18768429.html,
导师简介：戴道锌(1979—)，男，博士，副教授，主要从事硅基集成光子器件及其在光通信、光传感以及光互联等方面的研究。E-mail: dxdai@https://www.wendangku.net/doc/ad18768429.html,(通信联系人)
分束器(PBS)是一种很重要的器件，尤其是在偏振复用系统[9,10]、偏振不敏感系统[7,8]不可或缺。实现偏振分束功能的方法通常有倏逝耦合型偏振分束器[10,11]、光栅型偏振分束器[9, 12]、多模干涉器型偏振分束器[13,14]等。其中倏逝耦合型偏振分束器具有结构简单、设计优化方便、尺寸小、损耗小、带宽大等优点。本文重点研究基于SOI 纳米线光波导的超小型偏振分束器。为了优化设计方便，采用有限元方法(FEM)求解平行直波导的奇对称模和偶对称模的有效折射率，通过优化偏振分束器的结构参数，并考虑实际制作工艺以及模式失配损耗等问题，获得小型化偏振分束器。在此基础上，还利用三维时域有限差分(FDTD)对其进一步验证和修正结构参数。最后还给出了偏振分束器的频谱特性及容差分析。
2 基本原理
光波导的双折射效应主要包括材料双折射和器件横截面非对称性引起的双折射效应。对于硅纳米线光波导而言，其材料双折射效应可以忽略不计，而应主要考虑波导横截面非对称性带来的双折射。由于硅纳米线光波导的高折射率差及其亚微米横截面尺寸，其双折射效应非常显著。利用其高双折射效应有助于实现基于倏逝波耦合的超短偏振分束器。为了增强倏逝波耦合，以进一步减小器件尺寸，采用硅纳米脊型光波导结构，如图1所示。其中，绝缘层(SiO 2)、芯层(Si)和上包层(SiO 2)的折射率分别为1.46，3.455和1.46。偏振分束器的结构参数主要包括：芯层高H ，脊高h (定义比值R =h /H )，芯层宽度w ，耦合区平行直波导狭缝宽度G 以及平行直波导长度L 。
图1 基于硅纳米脊型光波导结构的偏振分束器结构示意图
Fig.1 Schematic configuration of PBS based on Ge SOI ridge nanowire directional coupler
根据传统耦合模理论，输入波导中的光能量通过倏逝场耦合到相邻波导，光能量在这两根波导之间相互耦合并遵循正弦变化规律。当光能量从输入波导完全转移到相邻波导时的波导长度称为此方向耦合器的耦合长度L c ，
c e o 0
π()=?L n n k , (1) 式中k 0为真空中的波矢量大小，n e ，n o 分别为两根平行直波导的偶对称模和奇对称模的等效折射率。由于横电模(TE)和横磁模(TM)的奇对称模和偶对称模的等效折射率各不相同，TE 偏振光和TM 偏振光的耦合长度也不同。为了实现偏振分束，方向耦合器长度L 应满足
c(TM)c(TE))(L l m mL L +== , (2)
式中L c(TE)，L c(TM)为TE ，TM 的耦合长度，m 为整数，l 为奇数(可取正负值)。因此，需要合理选择偏振分束器的结构参数以满足偏振分束条件。
3 计算结果及讨论
首先考虑长度为L 的两根邻近的平行直波导。当光场从其中一条光波导输入时，会激发起奇对称模、
偶对称模两个超模(supermode)。
图2给出了TE 和TM 偏振的奇对称模、偶对称模(光波导参数为：w =500 nm ，
h=240 nm，H=300 nm，G=100 nm)。当其狭缝宽度G较小(G=50 nm)时，由于硅纳米线的超小截面尺寸和超高折射率差，其TE偏振的偶对称模表现为狭缝波导模式[15,16]，即狭缝中光场强度增强(由于电场垂直分量不连续)。此时，输入光场与平行直波导的超模存在一定模式失配而引起损耗[16,17]。
图2 两根邻近的平行直波导的偶对称、奇对称模场分布。(a)TE偏振；(b)TM偏振
Fig.2 Even and odd supermodes of two straight waveguides. (a)TE polarization; (b) TM ploarization 采用FDTD方法对此模式失配损耗进行计算。图3(a)和(b)分别为TE和TM情况下，三维FDTD计算模式失配损耗随狭缝宽度变化的曲线(?x=10 nm, ?y=30 nm, ?z=50 nm)。由图可见：TM偏振光的模式失配损耗较小，而TE偏振光的模式失配损耗较大。这是因为TE偏振模横向电场不连续导致其失配度高于TM偏振模(见图2的模场分布)。随着狭缝宽度变小，激发的狭缝波导模式能量越大，因而模式损耗越大。以500 nm波导宽度为例，狭缝宽度大于100 nm时，TE模式失配损耗大于0.13 dB，TM模式失配损耗大于0.064 dB。图3(c)所示为波导宽度500 nm时，三维FDTD(?x=10 nm, ?y=20 nm)和二维FDTD计算模式失配损耗的差异曲线。由图可知，二维FDTD和三维FDTD的计算结果差异较小，且随狭缝宽度变化基本保持不变(G>40 nm)。因此，可以利用二维FDTD对模式失配损耗进行大致的估算，大大缩短了计算时间。此外，输入输出弯曲波导的纵向长度L s 也会影响模式失配损耗的大小。若固定其横向距离为0.5 μm，模式失配损耗随着L s的增大而迅速减小，如图3(d)所示。只有当弯曲波导长度大于4.0 μm时，损耗较小且趋于稳定。因此，偏振分束器的输入输出弯曲波导的长度选取需满足一定的长度从而使得模式失配损耗较小。
图3 不同波导宽度下TE偏振(a)和TM偏振(b)失配损耗随狭缝宽度的变化曲线。(c)利用三维FDTD和二维FDTD计算模式失配损耗差异曲线(波导宽度500 nm)；(d)模式失配损耗随S型弯曲波导长度L s变化曲线
Fig.3 Mode mismatch loss as the gap increases for different waveguide width (3D FDTD). (a)TE; (b)TM; (c)mode mismatch loss difference between 2D FDTD and 3D FDTD( with waveguide with 500 nm); (d) mode mismatch loss as the length of the S-bend( L s) increases
为了使脊型纳米线光波导满足单模条件，需要合理选择波导的结构参数。参考文献[18]中的单模条件(工作波长为1550 nm)，假设波导芯层高H=300 nm 。考虑到狭缝宽度小于100 nm 时损耗较大，且狭缝宽度越小则制作难度越高，在此选取狭缝宽度为100 nm 。利用FEM 模式解方法计算了R =0.7, 0.8, 0.9, 1这4种情况下TE 和TM 偏振光的耦合长度，如图4(a)和(b)所示。由图可知，TM 偏振光的耦合长度小于TE 偏振光的耦合长度，波导宽度和波导高度比的变化对TM 偏振光的影响均小于TE 偏振光。
只有当器件结构参数满足(2)式才能使得TE 和TM 偏振分束实现，TE 和TM 偏振光的耦合长度之比随波导宽度的变化曲线如图4(c)所示，这里只考虑c(TM)c(TE)2L L L ==和c(TM)c(TE)32L L L ==以获得器件尺寸最小化。由图4(c)可知，当R =0.9且w =450 nm 时，对应的TE 偏振光耦合长度为10.68 μm ，TM 偏振光耦合长度为5.34 μm ，此时，偏振分束器长度为10.68 μm 。利用三维FDTD 的计算验证此结构参数下的耦合情况为(?x =10 nm ，?y =30 nm ，?z= 50 nm)，TE 偏振光耦合长度为9.38 μm ，TM 偏振光耦合长度为5.34 μm 。图4(d)为R =1时，利用三维FDTD 和FEM 两种数值方法计算的耦合长度的差别曲线。由图可知，对于TM 偏振光，三维FDTD 和FEM 计算结果吻合得很好，而TE 偏振光则在波导宽度较大时略有偏差。另外，由图4(a)和(b)可知，TE 偏振光的耦合长度随R 的增大而增大，而TM 偏振光的耦合长度随R 的增大而减小。因此，增加R 值可以使得方向耦合器更好地满足偏振分束条件。例如取R =1，w =450 nm ，三维FDTD 计算结果为：TE 偏振光耦合长度为11.4 μm ，TM 偏振光耦合长度为5.3 μm ，此时能更好地实现偏振分束功能，且大大减小了器件精确控制刻蚀深度的要求。
图4 TE 偏振光的耦合长度(a)，TM 偏振光的耦合长度(b)和TE ，TM 偏振光的耦合长度之比(c)随波导宽度的变化曲线；(d)
三维FDTD 和FEM 两种数值方法计算的耦合长度的差别曲线(R =1)
Fig.4 Couple length as the waveguide width increases for TE (a) andTM (b) polarization; (c) couple length ratio of TE and TM as the
waveguide width increases; (d) couple length difference between 3D FDTD and FEM for TE and TM
此外，通常利用S 型弯曲波导使TE 和TM 偏振光分别从不同的输出端口输出，而相互靠近的弯曲波导之间也会发生耦合。因此，图1所示的基于方向耦合器的偏振分束器需要在平行直波导偏振分束器的设计基础上，调节直波导耦合区的长度L ，使之满足偏振分束条件。假定S 型弯曲波导半径为10 μm ，弯曲角度12°，此时S 型弯曲波导长度约为4.44 μm[满足图3(d)的条件]。图5(a)所示为利用三维FDTD 计算不同直波导耦合区的长度L 时，偏振分束器TE/TM 的消光比变化情况。由图可知，TE ，TM 的消光比峰
值略微错开。这是由于，当R =1，w =450 nm 时，并不完全满足c(TM)c(TE)2L L L ==的偏振分束条件。当取直波导耦合区的长度L=8.4 μm ，TE 、TM 消光比分别为25 dB 和27 dB ，TE 偏振光的插入损耗约为0.1 dB ，TM 偏振光的插入损耗约为0.02 dB(偏振分束器的插入损耗定义为输出光总能量与输入光总能量之比)。倘若需要进一步提高器件消光比，可以通过进一步调整结构参数来实现。
图5 消光比随直波导耦合区长度L (a)、波长(b)和波导宽度(c)变化曲线
Fig.5 Extinction ratio versus the length of direct coupler (a), wavelength (b) and waveguide width (c)
图5(b)为优化设计的偏振分束器的消光比随波长的变化曲线，在1520~1570 nm 波长范围内，两种偏振光的消光比均大于15 dB 。此外在1470~1620 nm 波长范围内，该偏振分束器TE 偏振光的插入损耗小于0.2 dB ，TM 偏振光的插入损耗小于0.1 dB 。图5(c)所示为偏振分束器的消光比随波导宽度变化曲线，当波导宽度在430~460 nm 范围内时，两种偏振消光比均大于15 dB 。利用现有电子束曝光技术可以达到这一精度要求。
4 结 论
利用FEM 和FDTD 方法，设计了一种结构紧凑的基于SOI 脊型纳米线光波导的TE/TM 偏振分束器，分析了狭缝宽度对狭缝波导模式和输入波导模式之间的模式失配损耗的影响。结果表明，当狭缝间距大于100 nm 时模式失配损耗较小。通过优化器件结构参数，偏振分束器耦合部分长度约为8.4 μm ，TE 偏振光的插入损耗约为0.1 dB ，TM 偏振光的插入损耗约为0.02 dB 。两种偏振模式的消光比均大于15 dB 时，波导宽度制作容差为－20～10 nm ，带宽约为50 nm 。
参 考 文 献
1
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平面集成光波导器件综述
平面集成光波导器件综述 1 引言】 光纤通信网络中使用了多种光器件和光电器件.这些器件中的光学部分通常为三种结构：微光学结构、纤维光学结构和集成光学结构。1969年https://www.wendangku.net/doc/ad18768429.html,ler首先提出集成光学器件的设想，即在一个细小的基片上实现光发射、光探测、光耦合、光分支、光波分复用、光滤波、光开关等一种和几种功能，达到器件的微型化和实现高功能密度。平面光波导技术和平面微制造技术的成功结合使这一设想变为现实。历经三十年的研究开发，目前已有一些平面集成光波导器件达到了商用化。 【2 制作器件的主要材料】 制备这些光器件和光电器件的主要材料有：InGaAsP/InP、SiO2、Si、LiNbO3和某些聚合物材料。表1 给出这几种材料的基本特性。 InGaAsP/InP是其中唯一的兼有有源和无源功能的材料，因而一直是单片集成光/光电器件研究开发的首选对象。以Si光波导为基础的混合集成收发信机已商品化。Si波导除了有很好的无源光学特性外，还具备载流子控制型的光电调制特点。聚合物材料波导光开关已产品化，聚合物材料波导无源器件也已取得重大进展。SiO2波导可用于制作性能优良的无源器件，由于制备器件所必须的理论设计、技术设备、工艺水平、材料来源等均已成熟或基本成熟，因而已形成以SiO2波导平面光波导线路（PLC）为基础的光集成器件规模生产。同时SiO2波导可以实现与有源器件的混合集成。SiO2 PLC的应用价值越来越受到关注，下面主要就SiO2 PLC器件和制造方法作一些基本介绍。 【3 二氧化硅波导基本工艺】 有几种代表性的二氧化硅波导制备技术，分别是：火焰水解（FHD）＋反应离子刻蚀（RIE），化学气相沉积（CVD）＋RIE，物理气相沉积（PVD）＋RIE。其中FHD采用SiCl4、GeCl4为主要原料，通过氢氧焰提供的高温，与氧反应生成SiO2、GeO2微细粉末层，而后在1300℃左右的高温中退火形成光学薄膜，其中GeO2等作为掺杂物质控制导波的折射率。CVD采用硅烷、锗烷或SiCl4、GeCl4,通过射频源激活与氧在等离子体状态下反应形成光学薄膜。PVD以电子束蒸发或溅射方法沉积SiO2光学薄膜。RIE 对波导膜进行导波线路的刻制。薄膜必须具有高的光学质量，因为光波是平行于薄膜表面传播的，路径通常有几厘米。薄膜尤其要有很好的折射率均匀性，因为控制光传输方向的导波层折射率n+苙与覆盖层（n）的折射率的差（苙）是很小的，苙/n在一定范围是单模条件所要求的，如n＝1.46, 苙＝0.0037，由此可知， 折射率均匀性要高，否则波导的质量无法保证。 【4 二氧化硅光波导器件】 4.1 SiO2 PLC的基本单元 平面波导器件的线路可以设计得很复杂，但基本上是由以下的基本单元构成的（图1）。直条、分支、弯曲、交叉是最简单和常用的。间隙是指在波导路径上刻出一段10祄左右的空间，插入滤波片等微小元件，以提高器件的指标。耦合是相距几祄的两波导间通过模场的相互作用，使光传输路径或强度发生改变。相移单元是利用SiO2折射率的热敏特性n（T），通过局部加热电极使n改变从而改变光的有效光程也即改变相位，热光开关就是根据这一原理制作的，例如dn/dT＝1×10－5时，10mm长的波导升温6.5℃，即产生180度相移（1.55祄）。应力单元是指在一波导的附近刻出沟槽或镀膜，使该波导局部所受应力发 生变化，从而调节器件的性能。
集成光波导
集成光波导 姜雨萌 12204107 集成光学是关于如何在基片上构造光器件与光网络的学科，与电子集成电路技术相类似。通常，也用集成光电子学与集成光子学来描述这个领域。光子学本身就是光学与电子学相结合产生的学科。集成光学提供将光器件与电器件组合在同一衬底上，以便制造出具有特定功能的系统或子系统知识。集成光器件的尺寸通常在光波长量级，并且具有集成电路的许多优点，如工作稳定、尺寸小以及潜在的低成本。利用集成光学技术，可以设计完整的光发送机、接收机以及中继器，通过光纤实现长距离的光互连。 电磁波主要在中间层传输，其折射率为n1。中间层通常很薄，一般小于一个微米，称为薄膜。薄膜夹在折射率分别为n2和n3的敷层与衬底之间。光线通过内全反射被束缚在中心薄膜中。只有当n2和n3都小于n1时才会发生内全反射。可求得衬底界面上的临界角为 1sin 2n n c =θ, 敷层界面上的临界角可由下式求出1 3sin n n c =θ。
中心薄膜的不均匀性也会使光产生散射从而增加损耗。为了有效地传播光信号，材料的吸收损耗必须很低。对n2=n3的对称结构，我们尤其感兴趣，因为这与光纤的结构很相似。与其类似。光纤由折射率为n1的纤芯以及折射率为n2，包围纤芯的包层组成。n3=1.0的非对称波导也比较重要，这也就是顶部露在空间的集成光路结构。这种情况下，n2是衬底的折射率。 中心薄膜的场是平面波，按角度θ向上传播，另一个以相同角度向下传播。这些波的传播因子可写成k=10n k ,其中，0k 是自由空间的传播因 子。 若被导波的净传播方向是在水平方向上。传播因子在这个方向上的分量为θθβsin sin 10n k k ==，通常称之为纵向传播因子。 折射率的定义是光在自由空间的速度与其在无界介质中的速度的比值。等效折射率eff n 等于自由空间中的光速度与波导中的相速度之比， 也就是ωβ/c n eff =。
微波报告之定向耦合器
目录 一、前言 (02) 二、发展背景 (02) 三、组成及分类 (03) 四、原理简介 (03) 五、定向耦合器的基本功能和参数指标 (04) 1、耦合度 (05) 2、隔离性 (05) 3、定向性D (05) 4、输出驻波比....................................... .06 5、工作频带宽度 (06) 六、定向耦合器的应用 (08) 七、总结 (11) 八、参考文献 (12) 1 微波技术与天1
定向耦合器的原理及介绍 一、前言 定向耦合器在微波波段有着广泛的应用，其主要用途有用来监视功率、频率和频谱，把功率进行分配和合成，构成平衡混频器和测量电桥，利用定向耦合器来测量反射功率系数和功率。它的本质是将微波信号按一定的定向耦合器比例进行功率分配。 二、发展背景 在20世纪50年代初以前，几乎所有的微波设备都采用金属波导和同轴线电路，那个时候的定向耦合器也多为波导小孔耦合定向耦合器，其理论依据是Bethe小孔耦合理论，Cohn和Levy等人也做了很多贡献。随着航空和航天技术的发展，要求微波电路和系统做到小型化、轻量化和性能可靠，于是出现了带状线和微带线。随后由于微波电路与系统的需要有相继出现了鳍线、槽线、共面波导和共面带状线等微波集成传输线。这样就出现了各种传输线定向耦合器。第一个真正意义上的定向耦合器由H. A. Wheeler在1944年设计实现，Wheeler使用了一对长为四分之一中心频率波长的圆柱来实现电场与磁场的能量相互耦合，遗憾的是这种方法只能实现一个倍频程的带宽。
三、组成及分类 定向耦合器由传输线构成，同轴线、矩形波导、圆波导、带状线和微带线都可构成定向耦合器，所以从结构来看定向耦合器种类繁多，差异很大。但从它的耦合机理来看主要分为四种，即小孔耦合、平行耦合、分支耦合以及匹配双T。 定向耦合器 四、原理简介 主线中传输的功率通过多种途径耦合到副线,并互相干涉而在副线中只沿一个方向传输。 图1为矩形波导定向耦合器的三种典型耦合结构。a是相距1/4导波长的双孔耦合;b是间距和长度都等于1/4导波长的双串联分支线耦合；c是在裂缝区域内TE和TE两种传播模式的连续耦合。以a和b两种结构为例，从端口①输入的信号分两路耦合到副线后，朝端口④方向因行程相等而同相叠加，有输出；朝③方向则行程相差1/2导波长而反相抵消，被隔离而无输出。 图2为微带定向耦合器的两种典型的耦合结构。A是间距和长度都
亚波长光栅偏振分束器的研究_郭楚才
第30卷 第9期光 学 学 报 V ol .30,N o .9 2010年9月 ACTA OPTICA SINICA September ,2010 文章编号:0253-2239(2010)09-2690-06 亚波长光栅偏振分束器的研究 郭楚才 叶卫民 袁晓东 曾 淳 季家镕 (国防科学技术大学光电科学与工程学院,湖南长沙410073) 摘要 利用单层亚波长硅光栅结构设计出工作在近红外波段的偏振分束器。该偏振分束器在45°入射角附近对T E 偏振光具有很高的反射率同时对T M 偏振光具有很高的透射率,其设计原理是基于亚波长光栅的泄漏模共振效应以及类布儒斯特效应。利用散射矩阵方法和时域有限差分方法对偏振分束器进行设计和分析。模拟结果显示,该偏振分束器在1390～1600nm 的波长范围内的反射与透射消光比大于100;同时该偏振分束器具有相对较大的入射角度容差,在有限尺寸高斯光束入射下能保持很好的性能。 关键词 光栅;偏振分束器;散射矩阵方法;亚波长光栅;泄漏模共振效应;类布儒斯特效应中图分类号 O436 文献标识码 A do i :10.3788/AO S 20103009.2690 Re se arch on Sub -Wavelength Grating Polarizing Beam Splitter Guo Chucai Ye Weimin Yuan Xiaodong Zeng Chun Ji Jiarong (College of Optoelectric Science and Engineering ,National University of D efense Technology , Changsha ,Hunan 410073,China ) Abstract A near -infrared (NIR )polarizing beam splitter is designed based on a single layer sub -wavelength silicon grating ,which is reflective for TE polarization and transparent for TM polarization around the incident angle of 45°.The design of the proposed beam splitter is based on the leaky -mode resonance effect and Brewster -like effect of the sub -wavelength grating .Scattering matrix method and finite -difference time -domain method are utilized to design and analyse the structure .Sim ulation results show that both the reflection and transmission extinction ratios of the beam splitter are over 100in the wavelength range of 1390～1600nm .Moreover ,the polarizing beam split ter has a relative big angular tolerance and the effic iency of the beam splitter under the illumination of a Ga ussian beam with finite size is very high . Key word s gratings ;polarizing bea m splitter ;scattering matrix method ;sub -wavelength grating ;leaky -mode resonance effect ;Brewster -like effect 收稿日期:2009-10-26;收到修改稿日期:2009-12-04 作者简介:郭楚才(1981—),男,博士研究生,主要从事纳米光子学方面的研究。E -mail :g cc 1981@y ahoo .com .cn 导师简介:季家镕(1946—),男,教授,博士生导师,主要从事集成光学方面的研究。E -mail :jijiaro ng @ho tmail .co m 1 引 言 偏振分束器是光网络和光信息系统的关键元件,它可以广泛应用于自由空间光开关、磁光数据存储以及偏振成像系统等。传统的偏振分束器主要利用具有双折射效应的天然晶体或者多层膜结构来实现偏振分束。由于天然双折射晶体体积大,无法实现微型化和集成化;多层膜结构与天然晶体偏振分束器相比,其厚度大大减小,但是需要堆积的薄膜层数很多,制备过程相对复杂,因此这两种偏振分束器的应用都受到很大的限制。 近年来,具有特殊衍射特性的亚波长光栅日益受到人们的关注,已被广泛用于设计宽带反射镜[1～3]、法布里-珀罗腔[4] 、滤波器[5～10] 、探测器[11] 与防伪结构[12]等光学元器件,偏振分束器也不例外。例如,Deer Yi 等[13]提出了基于全反射的亚波长光栅偏振分束器,该结构具有很宽的工作带宽,但是因其覆盖层和衬底材料都需要很高折射率的介质,限制了该结构的应用范围;Y .Zhang 等[14]提出了一种双层堆栈结构分束器,该结构具有很大的入射角容差,但是其工作带宽较窄且消光比相对较低。
光纤隔离器工作原理
光隔离器的基本原理 偏振无关光纤隔离器（Polarization Insensitive Fiber Isolator） 光纤隔离器根据偏振特性可分为偏振无关型（Polarization Insensitive）和偏振相关型（Polarization Sensitive）两种。由于通过偏振相关型光纤隔离器的光功率依赖于输入光的偏振态，因此要求使用保偏光 纤作尾纤。这种光纤隔离器将主要用于相干光通信系统。目前光纤隔离器用的最多的仍然是偏振无关型的， 我们也只对此类光纤隔离器做分析。 １偏振无关光纤隔离器的典型结构 一种较为简单的结构如图１所示。这种结构只用到四个主要元件：磁环（Magnetic Tube）、法拉第旋转器 （Faraday Rotator）、两片LiNbO3 楔角片（LN Wedge），配合一对光纤准直器（Fiber Collimator）， 可以做成一种在线式（In-line）的光纤隔离器。 2 基本工作原理 下面具体分析光纤隔离器中光信号正向和反向传输的两种情况。 2.1 正向传输 如（图2）所示，从准直器出射的平行光束，进入第一个楔角片P1后，光束被分为o光和e光，其偏振 方向相互垂直，传播方向成一夹角。当他们经过45°法拉第旋转器时，出射的o光和e光的偏振面各自向 同一个方向旋转45°，由于第二个LN楔角片P2的晶轴相对于第一个楔角片正好呈45°夹角，所以o光 和e光被折射到一起，合成两束间距很小的平行光，然后被另一个准直器耦合到光纤纤芯里去。这种情况 下，输入的光功率只有很小一部分被损耗掉，这种损耗称之为隔离器的插入损耗。（图中“+”表示e光向 此方向偏折） 2.2 反向传输 如(图3)所示,当一束平行光反向传输时,首先经过P2晶体,分为偏振方向与P1的晶轴各呈45°夹角的o光 和e光。由于法拉第效应的非互易性，o光和e光通过法拉第旋转器后，偏振方向仍然向同一个方向（图 中为逆时针方向）旋转45°，这样，原先的o光和e光在进入第二个楔角片（P1）后成了e 光和o光。 由于折射率的差别，这两束光在P1中再也不可能合成一束平行光，而是向不同的方向折射，e光和o光被 进一步分开一个更大的角度，即使经过自聚焦透镜的耦合，也不能进到光纤纤芯中去，从而达到了反向隔
定向耦合器
定向耦合器是一种通用的微波/毫米波部件，可用于信号的隔离、分离和混合，如功率的监测、源输出功率稳幅、信号源隔离、传输和反射的扫频测试等。主要技术指标有方向性、驻波比、耦合度、插入损耗。 基本简介 定向耦合器是微波系统中应用广泛的一种微波器件，它的本质是将微波信号按一定的比例进行功率分配。 定向耦合器由传输线构成，同轴线、矩形波导、圆波导、带状线和微带线都可构成定向耦合器，所以从结构来看定向耦合器种类繁多，差异很大。但从它的耦合机理来看主要分为四种，即小孔耦合、平行耦合、分支耦合以及匹配双T。 定向耦合器是把两根传输线放置在足够近的位置使得一条线上的功率可以耦合到另一条线上的元件。它的两个输出端口的信号幅度可以相等也可以不等，一种应用特别广泛的耦合器是3dB 耦合器，这种耦合器的两个输出端口输出信号的幅度是相等的。 在20世纪50年代初以前，几乎所有的微波设备都采用金属波导和同轴线电路，那个时候的定向耦合器也多为波导小孔耦合定向耦合器，其理论依据是Bethe小孔耦合理论，Cohn和Levy等人也做了很多贡献。 随着航空和航天技术的发展，要求微波电路和系统做到小型化、轻量化和性能可靠，于是出现了带状线和微带线。随后由于微波电路与系统的需要有相继出现了鳍线、槽线、共面波导和共面带状线等微波集成传输线。这样就出现了各种传输线定向耦合器。 第一个真正意义上的定向耦合器由H. A. Wheeler在1944年设计实现，Wheeler使用了一对长为四分之一中心频率波长的圆柱来实现电场与磁场的能量相互耦合，遗憾的是这种方法只能实现一个倍频程的带宽。 定向耦合器是一种具有方向性的功率耦合(分配)元件。它是一种四端口元件，通常由称为直通线(主线)和耦合线(副线)的两段传输线组合而成。直通线和耦合线之间通过一定的耦合机制(例如缝隙、孔、耦合线段等)把直通线功率的一部分(或全部)耦合到耦合线中，并且要求功率在耦合线中只传向某一输出端口，另一端口则无功率输出。如果直通线中波的传播方向变为与原来的方向相反，则耦合线中功率的输出端口与无功率输出的端口也会随之改变,也就是说，功率的耦合(分配)是有方向的，因此称为定向耦合器(方向性耦合器)。 定向耦合器作为许多微波电路的重要组成部分被广泛应用于现代电子系统之中。它可以被用来为温度补偿和幅度控制电路提供采样功率，可以在很宽的频率范围完成功率分配与合成；在平衡放大器中，它有助于获得良好的输入输出电压驻波比(VSWR)；在平衡混合器和微波设备(例如，网络分析仪)中，它可以被用来采样入射和反射信号；在移动通信中，使用
SOI光波导器件研究进展及应用
SOI光波导器件前沿研究 光电信息学院 赵正松 2011059050025摘要：SOI（Silicon-on-insulator绝缘衬底上的硅）是一种折射率差大、波导传输损耗小的新型材料，SOI基光电子器件具有与微电子工艺兼容、能够实现OEIC单片集成等优点，近年来随着SOI晶片制备技术的成熟,SOI 基波导光波导器件的研究日益受到人们的重视.介绍了弯曲波导、光耦合器、可 调谐光衰减器、光调制器和光开关等常见的SOI基光波导器件的一些研究进 展。 引言：光纤通讯网络中，波分复用（WDM）是提高传输速率和扩大通讯容量的理想途径:通过在单根光纤中多个波长的复用，可以充分利用光纤巨大的带宽资源,实现不同数据格式信息的大容量并行传输，同时又可降低对器件的超高速要求。 在WDM网络中，网际间交叉互联（OXC）光信号上下载路（OADM）,以及波长变换等关键技术的实现使得WDM 网络具有高度的组网灵活性、经济性和可靠性。 在WDM光网络中，网际OXC和节点OADM功能是最核心的技术，光滤波器、光耦合器、光开关、可变光衰减器、波长变换器、复用与解复用器等是最关键的器件[1].在基于各种材料的光波导器件中,硅基光波导器件格外引人注目。 硅基光波导材料有SOI絶缘体上的硅）、SiO2/Si和SiGe/Si等多种.硅基光波 导的优势在于:硅片尺寸大、质量高、价格低;硅基光波导材料具有较大的折射率差，便于缩小器件尺寸和实现平面光波回路（PLC单片集成；电学性能好，易于控制, 具备光电混合集成的潜力;机械性能好,加工方便,可以光刻腐蚀成各种三维光波导结构；硅的热导性和热稳定性好,可以直接用作集成芯片的热沉,器件封装结构简单.最重要的是硅的加工工艺与传统微电子工艺兼容,适合低成本制作硅基光电子集成（OEIC芯片。 本文主要研究的SOI硅基光波导材料全名为Silicon On Insulator是指硅晶体管结构在绝缘体之上的意思，原理就是在Silicon （硅）晶体管之间，加入绝缘体物
光隔离器
光隔离器的基本原理 光隔离器又称光单向器, 是一种光非互易传输的光无源器件。在光纤通信系统中总是存在许多原因产生的反向光。光源所发出的信号光, 以活动连接器的形式耦合到光纤线路中去, 活动接头处的光纤端面间隙会使约4% 的反射光向着光源传输。 一．光隔离器的类型 1．1光隔离器按其外部结构可分为型、连接器端口型(也称在线安装型)和微型化型（自由空间隔离器）。前两种也称为在线型, 可直接插入光纤网络中。微型化光隔离器则常用于半导体激光器及其他器件中。 自由空间隔离器 1.2 .隔离器按其性能可分为偏振灵敏型( 也称偏振相关) 和偏振无关型。一般情况下, 偏振灵敏型的光隔离器常做成微型化的, 偏振无关型光隔离器则常做成在线型的。 1.3.偏振无相关光隔离器的结构包括空间型和光纤型。由于不论入射是否为偏振光, 经 过这种光隔离器后的出射光均为线偏振光, 因而称之为偏振无相关光隔离器, 主要用于DFB激光器中。 1.4.偏振无关光隔离器是一种对输入光偏振态依赖性很小( 典型值 0. 2dB) 的光隔离器。一般来说, 偏振无关光隔离器的典型结构、工作原理都更复杂一些。它采用有角度的分离光束的原理来制成, 可起到偏振无关的目的。 1.5 根据光纤类型分为保偏隔离器和普通隔离器。
由于通过偏振相关型光纤隔离器的光功率依赖于输入光的偏振态，因此要求使用保偏光纤作尾纤。这种光纤隔离器将主要用于相干光通信系统。目前光纤隔离器用的最多的仍然是偏振无关型的。 1.6 保偏光纤：保偏光纤传输线偏振光，偏振光在光纤中传输的时候，其偏振态在很长一端光纤内几乎保持不变的光纤。广泛用于航天、航空、航海、工业制造技术及通信等国民经济的各个领域。在以光学相干检测为基础的干涉型光纤传感器中，使用保偏光纤能够保证线偏振方向不变，提高相干信躁比，以实现对物理量的高精度测量。 保偏光纤的使用：保偏光纤作为一种特种光纤，主要应用于光纤陀螺，光纤水听器等传感器和DWDM、EDFA等光纤通信系统。由于光纤陀螺及光纤水听器等可用于军用惯导和声呐，属于高新科技产品，而保偏光纤又是其核心部件，因而保偏光纤一直被西方发达国家列入对我禁运的清单。 保偏光纤的类型：熊猫型、椭圆型、领结型和类矩形
光隔离器的功能和基本原理
光隔离器的功能和基本原理 光隔离器的功能是让正向传输的光通过而隔离反向传输的光，从而防止反射光影响系统的稳定性，与电子器件中的二极管功能类似。光隔离器按偏振相关性分为两种：偏振相关型和偏振无关型，前者又称为自由空间型（Freespace），因两端无光纤输入输出；后者又称为在线型（in-Line），因两端有光纤输入输出。自由空间型光隔离器一般用于半导体激光器中，因为半导体激光器发出的光具有极高的线性度，因而可以采用这种偏振相关的光隔离器而享有低成本的优势；在通信线路或者EDFA 中，一般采用在线型光隔离器，因为线路上的光偏振特性非常不稳定，要求器件有较小的偏振相关损耗。 光隔离器利用的基本原理是偏振光的马吕斯定律和法拉第（Farady）磁光效应，自由空间型光隔离器的基本结构和原理如下图所示，由一个磁环、一个法拉第旋光片和两个偏振片组成，两个偏振片的光轴成45°夹角。正向入射的线偏振光，其偏振方向沿偏振片1 的透光轴方向，经过法拉第旋光片时逆时针旋转45°至偏振片2 的透光轴方向，顺利透射；反向入射的线偏振光，其偏振方向沿偏振片2 的透光轴方向，经法拉第旋光片时仍逆时针旋转45°至与偏振片 1 的透光轴垂直，被隔离而无透射光。自由空间型光隔离器相对简单，装配时偏振片和旋光片均倾斜一定角度（比如4°）以减少表面反射光，搭建测试架构时注意测试的可重复性，其他不赘述。下面详细介绍在线式光隔离器的发展情况。 最早的在线式光隔离器是用Displacer晶体与法拉第旋光片组合制作的，因体积大和成本高而被Wedge型光隔离器取代；在线式光隔离器因采用双折射晶体而引入PMD，因此相应出现PMD 补偿型Wedge 隔离器；某些应用场合对隔离度提出更高要求，因此出现双级光隔离器，在更宽的带宽获得更高隔离度。 下面依次介绍这些在线式光隔离器的结构和原理。 1) Displacer 型光隔离器 Displacer型光隔离器结构和光路如下图所示，由两个准直器、两个Displacer晶体，一个半波片、一个法拉第旋光片和一个磁环（图中未画出）组成。正向光从准直器1入射在Displacer1 上，被分成o光和e光传输，经过半波片和法拉第旋光片后，逆时针旋转45 +45 =90 ，发生o光与e光的转换，经Displacer2合成一束耦合进入准直器2；反向光从准直器2 入射在Displacer2 上，被分成o光和e光传输，经过法拉第旋光片和半波片后，逆时针旋转45 -45 =0 ，未发生o光和e光的转换，经Displacer1 后两束光均偏离准直器 1 而被隔离。 Displacer 型光隔离器的缺点是，为了满足隔离度要求，反向光路中的两束光需偏移较大距离，可参考图2（a），而双折射特性较好的钒酸钇Displacer 晶体，其长度与偏移量
基于绝缘体上硅脊型纳米线光波导方向耦合器的TE_TM偏振分束器
47, 051301 (2010) ?2010 中国激光杂志社doi: 10.3788/lop47.051301 基于绝缘体上硅脊型纳米线光波导方向耦合器的 TE/TM偏振分束器 王剑威戴道锌时尧成杨柳 (浙江大学现代光学仪器国家重点实验室光及电磁波研究中心，浙江 杭州 310058)摘要利用有限元方法和时域有限差分方法，优化设计了一种结构紧凑的基于绝缘体上硅脊型纳米线光波导方向耦合器的TE/TM偏振分束器。考虑到方向耦合器的波导间隙较小时制作工艺较为困难，且模式失配会引入一些损耗，因此波导间隙取约100 nm较为合适。通过优化脊型纳米线光波导的几何尺寸(脊高和脊宽)、耦合区波导间隙，使得偏振分束器长度最短。数值计算结果表明经过优化的偏振分束器最短长度大约为17.3 μm，偏振分束器的消光比大于15 dB时，波导宽度制作容差为－20～10 nm，带宽约为50 nm。 关键词集成光学；偏振分束器；方向耦合器；绝缘体上硅 中图分类号 O436 OCIS 130.5440 230.1360 文献标识码 A Design of Compact TE/TM Polarization Beam Splitter Based on Silicon-on-Insulator Ridge Nanowire Directional Coupler Wang Jianwei Dai Daoxin Shi Yaocheng Yang Liu (Centre of Optical and Electromagnetic Research, State Key Laboratory for Modern Optical Instrumentation, Zhejiang University, Hangzhou, Zhejiang 310058, China) Abstract A compact TE/TM polarization beam splitter (PBS) based on a silicon-on-insulator (SOI) ridge nanowire directional coupler is designed and optimized by using a finite-element method (FEM) and a finite difference time domain (FDTD) method. Considering the fabrication precision and the mode mismatching loss in a directional coupler, a gap width about 100 nm is chosen. The ridge height, the ridge width and the gap of two parallel nanowires are optimized to have the shortest length for the polarization splitter. The numerical simulations show that the optimized PBS has a short length of about 17.3 μm, and the waveguide width has a fabrication tolerance of about－20~10 nm, and the bandwidth is about 50 nm when the extinction ratios for both polarizations are larger than 15 dB. Key words integrated optics; polarization beam splitter; directional coupler; silicon-on-insulator 1 引言 近年来，基于绝缘体上硅(SOI)材料的硅纳米线光波导已成为集成光学领域的研究热点。硅纳米线光波导具有折射率差大、弯曲半径小(约2 μm)、与CMOS制造工艺兼容、可实现超高集成度等优点[1,2]。目前已经研制了很多种超小尺寸硅纳米光波导器件，如阵列波导光栅[3,4]、微环谐振器[5,6]、功分器[7,8]等。偏振 收稿日期：2009-08-02; 收到修改稿日期：2009-11-23 基金项目：国家自然科学基金(60607012)(和浙江省自然科学基金(J20081048))资助课题。 作者简介：王剑威(1986—)，男，硕士研究生，主要从事硅基集成光子器件及其在光通信、光传感以及光互联等方面的研究。E-mail: wangjianwei@https://www.wendangku.net/doc/ad18768429.html, 导师简介：戴道锌(1979—)，男，博士，副教授，主要从事硅基集成光子器件及其在光通信、光传感以及光互联等方面的研究。E-mail: dxdai@https://www.wendangku.net/doc/ad18768429.html,(通信联系人)
集成光波导
集成光波导型(AWG ) 以光集成技术为基础的平面波导型波分复用器件，具有一切平面波导的优点，如几何尺寸小、重复性好（可批量生产）、可在掩膜过程中实现复杂的支路结构、与光纤容易对准等。 目前集成波导型的波分复用器件有多种实现方案，其中以龙骨型的平面波导应用最多。它由二个星形耦合器与M 个非耦合波导构成，不等长的耦合波导形成光栅而具分光作用，两端的星形耦合器由平面设置的二个共焦阵列波导组成。如图3.2.2所示。 （1）．AWG 的优点 ①．分辨率较高。 ②．高隔离度 ③．易大批量生产。 因为具有高分辨率和高隔离度，所以复用通道的数量达32个以上；再加上便于大批量生产，所以AWG 型的波分复用器件在16通道以上的WDM 系统中得到了非常广泛的应用。 (2)．AWG 的缺点 插入衰耗较大，一般为6~11dB 。 带内的响应度不够平坦。 4．光栅型 光栅型波分复用器件属于角色散器件。当光入射到光栅上，由于光栅的角色散作用可以使不同波长的光信号以不同的角度出射，[url=https://www.wendangku.net/doc/ad18768429.html,/]魔兽sf[/url]然后可再用自聚焦透镜把光信号会聚到不同的光纤中输出，如图3.2.3所示。 （1）．光栅型波分复用器件优点 ①．高分辨率 3.2.2图：AWG 波分复用器件
其通道间隔可以达到30GH Z以下。 ②．高隔离度 其相邻复用光通道的隔离度可大于40 dB。 ③．插入衰耗低 大批量生产可达到3~6dB，且不随复用通道数量的增加而增加。 ④．具有双向功能，即用一个光栅可以实现分波与合波功能。因此它可以用于单纤双向的WDM系统之中。 正因为具有很高的分辨率和隔离度，所以它允许复用通道的数量达132个之多，故光栅型的波分复用器件在16通道以上的WDM系统中得到了应用。 （2）．光栅型波分复用器件的缺点 ①．温度特性欠佳 其温度系数约为14pm /°C。因此要想保证它的中心工作波长稳定，在实际应用中必须加温度控制措施。 ②．制造工艺复杂，价格较贵。 5．光纤布喇格光栅型（FBG） 利用紫外线光干涉的方法可以在光纤芯中形成所谓布喇格光栅。 [url=https://www.wendangku.net/doc/ad18768429.html,/]魔兽私服[/url]当含有多个波长的光波输入后，利用布拉格光栅就可以把某波长的光分离出来，如图3.2.4 a)所示。 利用普通的光分路器与多个光纤布喇格光栅就可以构成WDM系统使用的分波器，如图3.2.4 b)所示。 光纤布喇格光栅型波分复用器件的优点： ①．具有相当理想的带通特性，带内响应平坦、带外抑制比高； ②．温度特性较好，其温度系数可以与介质膜干涉滤波器型相媲美。
波导定向耦合器报告
《微波电路与器件》电科09级设计实验 波导定向耦合器 班级： 组长： 组员： 2012年5月17 日
波导定向耦合器 1.设计任务： 当频率的范围在8.5 GHz到10.5GHz时，波导定向耦合器指标到达以下要求： 驻波：<1.2 插损：<0.5dB 隔离：＞20dB 耦合：3dB 2.设计原理： 定向耦合器的主要指标： (1) 工作频带: 定向耦合器的功能实现主要依靠波程相位的关系,也就是说与频率有关。 (2) 插入损耗： 主路输出端和主路输入端的功率比值,包括耦合损耗和导体介质的热损耗。（3) 耦合度: 描述耦合输出端口与主路输入端口的比例关系,通常用分贝表示,dB值越大,耦合端口输出功率越小。耦合度的大小由定向耦合器的用途决定。 (4) 方向性: 描述耦合输出端口与耦合支路隔离端口的比例关系。理想情况下,方向性为无限大。 (5) 隔离度: 描述主路输入端口与耦合支路隔离端口的比例关系。理想情况下,隔离度为
无限大。 本设计要求用波导做定向耦合器，打开hfss ，建立十字逢波导定向耦合器模型，波导型号为BJ-84波导，两段一头密封的BJ-84波导垂直层叠，中间有厚度为0.5mm 的耦合十字逢，十字逢位于层叠部分的对角线上，距离封闭口距离为3/4个波导波长，根据计算波导中传输TE 10模式，其波导波长为： ??? ? ??-=a g 221λλλ 根据公式计算波导波长，得出十字逢的位置。 3.ADS 中电路拓扑结构（或HFSS 中建模）： 本实验采用的是波导型号BJ-84，a=28.5mm, b=13.6mm,十字缝的厚度为5mm ，两波导通过十字逢进行耦合，如图所示： 十字逢长是有两个长1mm ，宽为5mm ，高为5mm 的长方体组合而成如图所示：
【CN109814205A】一种偏振分束器【专利】
(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910177659.7 (22)申请日 2019.03.09 (71)申请人 珠海市杰威光电科技有限公司 地址 519000 广东省珠海市香洲区福田路 18号1栋3层315-41 (72)发明人 肖俊鹏 (74)专利代理机构 北京联瑞联丰知识产权代理 事务所(普通合伙) 11411 代理人 张清彦 (51)Int.Cl. G02B 6/27(2006.01) G02B 6/32(2006.01) (54)发明名称 一种偏振分束器 (57)摘要 本发明提供了一种偏振分束器，包括第一光 纤头、第一透镜、第二透镜、双折射晶体以及第二 光纤头；所述第一光纤头由一根光纤和毛细管或 陶瓷插芯组成，所述双折射晶体设置在所述第一 光纤头的另一侧，所述第一透镜设置在所述双折 射晶体的另一侧，所述第二透镜设置在所述第一 透镜的一侧，所述光第二光纤头设置在所述第二 透镜的另一侧，所述第二光纤头由双光纤和双芯 毛细管或陶瓷插芯组成，本发明通过上述结构， 通过设置双折射晶体的方式无需设置渥拉斯顿 棱镜或PBS棱镜，解决了渥拉斯顿棱镜及PBS棱镜 成本过高和采用渥拉斯顿棱镜需要精确匹配角 度导致的低效率的问题，同时也可以使得偏振分 束器可以更加紧凑更加小型化，并且由于双折射 晶体可同时实现光线集束及分束的功能，所以本 发明还可通过切换光纤的输入输出方向实现合 束器功能， 扩宽了本发明的适用场景。权利要求书1页 说明书3页 附图2页CN 109814205 A 2019.05.28 C N 109814205 A
光隔离器实验汇总
廿一、光隔离器 实验人：合作人: （物理科学与工程技术学院，光信息科学与技术2011 级 1 班，学号11343026）一、实验目的： 1．学习光隔离器的原理 2．了解光准直器的原理及其应用 3．学习测量光隔离器的主要技术参数 二、实验原理与器件： 光隔离器是一种只允许光沿光路正向传输的互易性光无源器件，主要用于抑制光通信网络中的反射波。光隔离器广泛应用于光信号的发射、放大、传输等过程中。因为许多光器件对来自连接器、熔接点、滤波器等的反射光非常敏感，若不消除这些反射光将导致器件性能的急剧恶化。这时就需要用光隔离器来阻止反射光返回系统。 1.法拉第磁光效应 光隔离器的工作原理需要是利用磁光晶体的法拉第效应。典型的光隔离器采用法拉第旋转器，转光转角为45度，其材料主要为钇铁石榴石（YIG），现在多采用高性能磁光晶体。高性能磁光晶体是一种采用液相外延技术在石榴石单晶上生成掺镱、镓、钬或铽等元素的薄膜材料，如：(YbTbBi)3Fe5O12石榴石单晶薄膜，其单位长度的法拉第旋转角是传统YIG晶体的5倍以上，而所需磁感应强度B却仅为传统材料的一半或者1/3。 法拉第效应（1945年）：对于给定的磁光晶体材料，光振动面旋转的角度θ与光在该物质中通过的距离L和磁感应强度B成正比（α为光线与磁场的夹角，）： θcosα（21.1） = VLB 式中，V是比例系数，它是材料的特性常数，称维尔德(Verdet)常数，单位是：分/高斯?厘米。进一步研究表明，法拉第效应旋转角是材料的介电常数、旋磁比和饱和磁场强度以及光波频率、外加磁场强度的函数。 值得注意的事，磁致旋光效应和材料的固有磁光效应不同。固有磁光效应的方向受光的传播方向影响，而与外加磁场的方向无关，无论外界磁场如何变化，迎着光看去，光的偏振面总是朝同一方向旋转。因此，在材料的固有旋光效应中，如果光束沿着原光路返回时，其偏振面将转回到初始位置。而在法拉第磁光旋转效应中，磁场对此光材料产生作用，是导致磁致旋转现象发生的原因，所以磁光材料引起的光偏振面旋转的方向取决于外加磁场的方向，与光的传播方向无关。迎着光看去，当线偏振光方向沿磁力线方向通过介质时，其振动面向右旋转；当线偏振光方向沿磁力线反方向通过介质时，其振动面向左旋转。旋转角θ的大小受磁光材料的旋磁特性、长度、工作波长及磁场强度的影响。材料介质越长、磁场强度越强、工作波长越短，旋转角度将越大。 不同介质，振动面的旋转方向不同。顺着磁场方向看，使振动面向右旋的，称为右旋或正旋介质，V为正值。反之，则称为左旋或负旋介质，V为负值。 对于给定的磁光介质，振动面的旋转方向只决定于磁场方向，与光线的传播方向无关。这点是磁光介质和天然旋光介质之间的重要区别。就是说，天然旋光性物质，它的振动面旋转方向不只是与磁场方向有关，而且还与光的传播方向有关。例如，光线两次通过天然性的旋光物质，一次是沿着某个方向，
定向耦合器
单位代码： 10293 密 级： 硕 士 学 位 论 文 论文题目：带短路支节的高隔离度分支线定向耦合器设计研究 电磁场与微波技术 移动通信与射频技术 工学硕士 二零一五年三月 学 科 专 业 研 究 方 向 申请学位类别 论文提交日期
摘要 定向耦合器是一种常用微波无源元件，在无线系统的射频前端中有着广泛的应用。特别在收发同频的无线系统中定向耦合器常常被用作隔离收发信号的一种关键部件。但是传统的定向耦合器隔离度偏低且工作带宽较窄，无法满足系统的要求。本文以分支线定向耦合器为研究对象，主要围绕如何提高其隔离度和增加工作带宽来进行深入研究。论文的主要工作和创新点包括： （1）根据功率相消原理在其耦合端口增加一条微带短路支节，设计出一款3dB带短路支节双分支线定向耦合器。这种方法结构简单，易于实现，且能够大幅提高耦合器隔离度。 （2）完成了一款实验样品的加工、测量工作，验证了短路支节线用于提高双分支线定向耦合器隔离度的效果，以及工作带宽提高不明显的缺点。 （3）在双分支线定向耦合器基础上，总结出一种有效提高其工作带宽的方法：增加耦合路径，并设计出一款3dB三分支线定向耦合器，该耦合器能够大幅拓宽工作带宽。在3dB带短路支节双分支线定向耦合器的基础上设计出一款3dB带短路支节三分支线定向耦合器，该款改进型定向耦合器在很大程度上拓宽了工作带宽，且提高了隔离度。 关键词: 定向耦合器，隔离度，短路支节，工作带宽
Abstract Reader is an important part of the RFID system, and the reader send and receive isolation is one of the key performance of RFID system. At present, the most common methods to improve the reader transceiver isolation degree is to add directional coupler in front of the reader antenna feed network.The traditional directional coupler isolation and working bandwidth is narrow,and can not meet the requirements if the RFID system. In this paper,we focus on the branch line of directional coupler and research on how to improve the isolation and increase bandwidth. The main work and innovation of this paper include: (1)We use method of old-even mode to analyze the double branch line directional coupler,and use the HFSS simulation software to model and simulation,find the directional has a low degree isolation shortcoming. In order to increase isolation of the directional coupler,according to the theory of destructive power we increase a short branch section in the port, and design a 3dB dual-branch directional coupler with a short branch section.This method is simple in structure, easy to implement, and can greatly improve the coupler isolation. (2) We process the 3dB dual-branch directional coupler with a short branch section into objects, using a vector network analyzer to measure it,finally compare the simulation results and measurement results and found the isolation has been improved in the very great degree but the bandwith is not obvious increased. (3) Base on the dual branch line directional coupler,we sum an effective operating to improve its bandwidth approach:increase the coupling path,and design a 3dB three-branch line directional coupler, the coupler can greatly expand the bandwidth.Base on the dual-branch line directional coupler with a short branch section we design a 3dB three-branch directional coupler with a short branch section,The directional coupler significantly increases the operating bandwidth, and improve the isolation. Key words: the RFID system, isolation , short branch section, directional coupler