非线性光学实例（3）- 光3dB定向耦合器，Chi3材料，DC开关控制耦合

本期我们看一个非线性材料的应用，通过直流电场来改变光路径。 

先看个耦合器，已经设计好，波导材料折射率12.07，频率Freq=193.414THz， 

背景距离加一点点，这样端口不会贴到边界，背景材料为二氧化硅，nSiO2=1.53。

四个波导端口：

时域仿真结束后，可见S31=S41，妥妥的3dB耦合器。

如果我们将两个耦合器相连：

信号从端口1到端口3：

下面我们把中间的两段材料改成非线性的硅：

其中Chi3Silicon=1e-16

加上两片PEC板，用wire连起来：

加上500欧姆电阻和离散电压端口5，电压为V5=69V：

自定义两个信号，一个是带宽对应得高斯脉冲重复两次，另一个是个阶梯信号：

求解器中将端口1和端口5同时激励，分别激励这两个信号；端口1的功率是Pin=1e-3，端口5的振幅又是V5，这就相当于把端口电压放大V5倍，也就是激励V5*V5=69^2 伏特。

这里仿真的是，平板电极在1.2ps之前有直流电压作为外界电场，而1.2ps之后就没有外界电场了。我们要看这两个情况下，同样的高斯脉冲在耦合器中的走向。

仿真结束后，可查看时域信号，端口3和端口4，可见第一个脉冲从端口4出，第二个脉冲从端口3出。

信号功率较小，Pin=1e-3,所以时域电场只能看出来第二个脉冲走向。

若提高功率，Pin=1，我们就能看出时域电场两个脉冲走向了：

有人可能问了，不是直流电场1.2ps就没了吗？怎么1.2ps之后场才逐渐消失呢？别忘了这个电极可是个电容哦！

小结：

1.    3dB耦合器设计需要优化才能在目的频点拿到准确的S31=S41，这里优化的部分省略了。

2.    两个耦合器相联，由于相对相位关系，信号固定走向S31（对角线）。

3.    通过非线性材料和外加非均匀电场，可调制单路相位，使信号转换去S41。