光纖——棱鏡耦合是一種常用的技術(shù)，用于緩解邊耦合中十分棘手的準(zhǔn)直問(wèn)題。當(dāng)導(dǎo)光中心薄膜層外部是空氣時(shí)，實(shí)際中常采用這種方法將光耦合進(jìn)集成光路。假設(shè)有一準(zhǔn)直的激光束入射，進(jìn)入棱鏡后在底邊以I臨界角反射。眾所周知，入射波與反射波之間會(huì)發(fā)生干涉，從而在棱鏡中產(chǎn)生駐波分布。另外，在棱鏡底部的空氣區(qū)域還存在一個(gè)消逝場(chǎng)。同時(shí)，我們也知道波導(dǎo)中傳播模的場(chǎng)會(huì)延伸到中心薄膜上方的空氣中。如果空氣縫隙很小(半波長(zhǎng)量級(jí)或更小)，則棱鏡的衰減場(chǎng)和中心薄膜的延伸場(chǎng)會(huì)互相影響，也就是說(shuō)兩者之間會(huì)發(fā)生耦合，導(dǎo)致能量從棱鏡轉(zhuǎn)移到中心薄膜中去。從已有的知識(shí)可以認(rèn)為，從一個(gè)以臨界角反射的表面透射出能量似乎是不可能的。但是有一點(diǎn)需要注意的是，全反射理論是在假設(shè)兩種介質(zhì)的邊界是無(wú)限延伸的前提下得到的。將平板波導(dǎo)放置在棱鏡底邊附近實(shí)際上已經(jīng)改變了這個(gè)前提，當(dāng)然只是稍加改變。以I臨界角反射時(shí)，光能量部分透射的現(xiàn)象稱(chēng)為失效的內(nèi)全反射。
對(duì)于強(qiáng)耦合，沿波導(dǎo)某點(diǎn)進(jìn)入到中心薄膜中的場(chǎng)在相位上必須與已經(jīng)存在的波的相位一致。換句話說(shuō)，棱鏡中波的縱向傳播因子必須與中心薄膜中波的縱向傳播因子相等，這可稱(chēng)為同步(或相位匹配)條件。
由此可見(jiàn)，制作棱鏡耦合器必須使用高折射率材料。找到這樣的材料并非易事。金紅石的折射率大于2，經(jīng)常用來(lái)制作有高折射率中心薄膜的棱鏡耦合器。而燧石玻璃棱鏡比較適合用于與玻璃之類(lèi)的低折射率材料中心薄膜進(jìn)行耦合。需要注意的一點(diǎn)是，所有用于制作波導(dǎo)和棱鏡的材料的折射率都是隨波長(zhǎng)變化的。
為了獲得最大耦合效率j還必須保證入射光束與棱鏡之間的相對(duì)位置較為合適�？紤]一個(gè)激光器，發(fā)出的光斑尺寸為叫的高斯光束�？紤]光源右邊到棱鏡末端的區(qū)域，在這段距離上有可能將中心薄膜輻射出的波再耦合進(jìn)棱鏡。這將導(dǎo)致波導(dǎo)中場(chǎng)的衰減。對(duì)整個(gè)耦合系統(tǒng)而言，將導(dǎo)致總的耦合效率降低。如果將輸入光束向棱鏡末端移動(dòng)一點(diǎn)，可能獲得更高的耦合效率。當(dāng)輸入光束實(shí)際上超過(guò)棱鏡末端少許時(shí)，可以獲得最優(yōu)耦合。輸入光束的功率密度在超過(guò)其中心時(shí)已經(jīng)變得很小了，因此只有很少一部分光功率是從光束右邊被耦合進(jìn)中心薄膜的。同時(shí)，中心薄膜中的場(chǎng)在剛好對(duì)準(zhǔn)波導(dǎo)的位置是比較強(qiáng)的。強(qiáng)的波導(dǎo)場(chǎng)又會(huì)重新耦合進(jìn)棱鏡。所以超過(guò)某一最佳位置后，耦合進(jìn)棱鏡的光功率反而比耦合進(jìn)中心薄膜的光功率還要大一些。所以只有稍微在輸入光束終止前結(jié)束耦合過(guò)程，才能獲得最優(yōu)的耦合效率。滿(mǎn)足上面的條件，可獲得最大的耦合效率為81%。
因?yàn)槔忡R與中心薄膜之間的耦合是互易的，所以棱鏡也可用做輸出耦合器。此時(shí)同步條件仍然適用，因此具有不同內(nèi)部角度模式的出射方向也不相同�？梢岳眠@種特性對(duì)波導(dǎo)中實(shí)際存在的模式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀測(cè)。輸出光束的數(shù)目也就是模式的數(shù)目，光束的角度則標(biāo)明某一特定模式。輸出光束投射到屏幕上時(shí)，形成稱(chēng)為優(yōu)線的線條。標(biāo)號(hào)聊對(duì)應(yīng)模式TE和TM的下標(biāo)。由于耦合沿棱鏡的底部是連續(xù)的，因此可以從波導(dǎo)中取出所有光功率，惟一的要求是棱鏡底邊必須足夠長(zhǎng)。從棱鏡中發(fā)射出的光不再是高斯形的，而是會(huì)有些偏斜。根據(jù)互易原理可知，如果將這種形狀的光束入射到棱鏡中，耦合效率將達(dá)到100%。正是因?yàn)樽顑?yōu)光束與對(duì)稱(chēng)高斯光束之間存在差異，因此常用高斯光束的耦合效率不會(huì)超過(guò)8l%。
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