Mach-Zehnder 调制器是一种光通信调制器。使用 COMSOL 仿真软件可以了解其工作原理并优化设计。
调制器工作原理简介
调制器控制光波通过时的振幅。Mach-Zehnder 调制器这一名称源自两个分光比为 50/50 的定向耦合器之间放置了一个 Mach-Zehnder 干涉仪 。向干涉仪其中一条支路施加电压时，波导材料的折射率会发生变化，并触发正传播的电磁波发生相移。随后，两个波在第二个定向耦合器中再次合并，由于施加的电压产生了相位差，从而实现了振幅的调节。
此外，如果调制器的输入和输出端口都连接到其他波导，除了振幅调试器之外，还可以用作空间开关。此时，可以通过调节电压使光在两个输出端口之间转换。
一个 Mach-Zehnder 调制器，干涉仪的一条支路上施加了电压。
Mach-Zehnder 调制器的设计
假设我们要设计一个 Mach-Zehnder 调制器。要求是：低损耗；两条输出支路中的功率平均分配；用作空间开关。
为达到理想的设计效果，我们使用 COMSOL Multiphysics 及波动光学模块。
低损耗
调制器一般都比较小，因此要求弯曲半径尽可能最小，还要满足损耗低这一要求。为此，我们可以绘制总模态传输量随弯曲曲率半径变化的折线图。从中可以观察到，当最小弯曲半径为 2.5 毫米时，损耗为一个可接受的值 2%（图中显示此时的总模态传输量为 98%）。我们还可以通过生成电场模图进一步确认结果。
总模态传输量随弯曲曲率半径变化的折线图（单位：米）。
平均分配
接下来，要实现 Mach-Zehnder 干涉仪两条输出支路中的输入功率平均分配，必须确定耦合器的长度。通过监测两条支路中的功率差并扫描耦合器长度即可获得长度。将参数扫描结果绘成图后会发现，当耦合器长度为 380 微米时两条支路中的功率平均分配。同样地，通过生成电场模图可以进一步确认结果。
以下为所绘制图表：
电场模图显示当定向耦合器长度为 380 微米时，两条干涉仪波导支路中的功率接近相等。（几何在 Y 方向放大 80 倍。）
空间开关
最后，我们希望当所有输入输出端口都连接到其他光纤或波导时，调制器可用作空间开关。换句话说，我们希望，对其中一条波导支路先施加电压再调节后，光波可以在两个输出端口之间转换。下图证实了我们确实可以通过调节电压来切换输出端口。
上方输出波导支路的传输量（y-轴，蓝线）与下方输出波导支路的传输量（绿线）vs 施加电压（x-轴）。
请注意，如果只有一个输入端口和一个输出端口，则只能用作振幅调制器，而不能用作空间开关。
模型下载
- 请遵循 Mach-Zehnder 调制器模型示例中的指导，学习如何使用 COMSOL Multiphysics 及波动光学模块独立运行以上模型。
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