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)直問題。當(dāng)導(dǎo)光中心薄膜層外部是空氣時，實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)域還存在一個消逝場。同時，我們也知道波導(dǎo)中傳播模的場會延伸到中心薄膜上方的空氣中。如果空氣縫隙很小(半波長量級或更小)，則棱鏡的衰減場和中心薄膜的延伸場會互相影響，也就是說兩者之間會發(fā)生耦合，導(dǎo)致能量從棱鏡轉(zhuǎn)移到中心薄膜中去。從已有的知識可以認(rèn)為，從一個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際上已經(jīng)改變了這個前提，當(dāng)然只是稍加改變。以I臨界角反射時，光能量部分透射的現(xiàn)象稱為失效的內(nèi)全反射。
對于強(qiáng)耦合，沿波導(dǎo)某點(diǎn)進(jìn)入到中心薄膜中的場在相位上必須與已經(jīng)存在的波的相位一致。換句話說，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，這可稱為同步(或相位匹配)條件。
由此可見，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位置較為合適�？紤]一個激光器，發(fā)出的光斑尺寸為叫的高斯光束。考慮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)中場的衰減。對整個耦合系統(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一點(diǎn)，可能獲得更高的耦合效率。當(dāng)輸入光束實際上超過棱鏡末端少許時，可以獲得最優(yōu)耦合。輸入光束的功率密度在超過其中心時已經(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，中心薄膜中的場在剛好對準(zhǔn)波導(dǎo)的位置是比較強(qiáng)的。強(qiáng)的波導(dǎo)場又會重新耦合進(jìn)棱鏡。所以超過某一最佳位置后，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)束耦合過程，才能獲得最優(yōu)的耦合效率。滿足上面的條件，可獲得最大的耦合效率為81%。
因為棱鏡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@種特性對波導(dǎo)中實際存在的模式進(jìn)行實驗觀測。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，形成稱為優(yōu)線的線條。標(biāo)號聊對應(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。從棱鏡中發(fā)射出的光不再是高斯形的，而是會有些偏斜。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%。正是因為最優(yōu)光束與對稱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超過8l%。
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