非線性光學實例（3）- 光3dB定向耦合器，Chi3材料，DC開關控制耦合

本期我們看一個非線性材料的應用，通過直流電場來改變光路徑。 

先看個耦合器，已經設計好，波導材料折射率12.07，頻率Freq=193.414THz， 

背景距離加一點點，這樣端口不會貼到邊界，背景材料為二氧化硅，nSiO2=1.53。

四個波導端口：

時域仿真結束后，可見S31=S41，妥妥的3dB耦合器。

如果我們將兩個耦合器相連：

信號從端口1到端口3：

下面我們把中間的兩段材料改成非線性的硅：

其中Chi3Silicon=1e-16

加上兩片PEC板，用wire連起來：

加上500歐姆電阻和離散電壓端口5，電壓為V5=69V：

自定義兩個信號，一個是帶寬對應得高斯脈沖重復兩次，另一個是個階梯信號：

求解器中將端口1和端口5同時激勵，分別激勵這兩個信號；端口1的功率是Pin=1e-3，端口5的振幅又是V5，這就相當于把端口電壓放大V5倍，也就是激勵V5*V5=69^2 伏特。

這里仿真的是，平板電極在1.2ps之前有直流電壓作為外界電場，而1.2ps之后就沒有外界電場了。我們要看這兩個情況下，同樣的高斯脈沖在耦合器中的走向。

仿真結束后，可查看時域信號，端口3和端口4，可見第一個脈沖從端口4出，第二個脈沖從端口3出。

信號功率較小，Pin=1e-3,所以時域電場只能看出來第二個脈沖走向。

若提高功率，Pin=1，我們就能看出時域電場兩個脈沖走向了：

有人可能問了，不是直流電場1.2ps就沒了嗎？怎么1.2ps之后場才逐漸消失呢？別忘了這個電極可是個電容哦！

小結：

1.    3dB耦合器設計需要優化才能在目的頻點拿到準確的S31=S41，這里優化的部分省略了。

2.    兩個耦合器相聯，由于相對相位關系，信號固定走向S31（對角線）。

3.    通過非線性材料和外加非均勻電場，可調制單路相位，使信號轉換去S41。