【正文】 .. 7 ........................................................7 ..........................................................7 WDM的基本原理 ............................................................7 4 多模干涉原理 ............................................................ 8 .....................................................................8 ..........................................................8 MMI耦合器的性能指標(biāo) ......................................................8 插入損耗 ............................................................ 8 附加損耗 ............................................................ 8 分光比 .............................................................. 9 均勻性 .............................................................. 9 偏振相關(guān)損耗 ........................................................ 9 隔離度 .............................................................. 9 .................................................10 5 波導(dǎo)器件傳光的基本原理 ................................................. 12 .......................................................12 平板光波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)及簡(jiǎn)單傳輸原理 ..................................... 12 平面波導(dǎo)中模的基本概念 ............................................. 12 模式本征方程 ....................................................... 13 .....................................................14 .........................................................15 耦合模式方程 ....................................................... 15 6 波導(dǎo)開關(guān)器件 ........................................................... 15 ...........................................................16 、 MMI光開關(guān) .............................................................16 MMI型 2波長(zhǎng)波分復(fù)用器 ...................................................17 MMI型陣列波導(dǎo)光柵復(fù)用器 /解復(fù)用器 ........................................18 7 仿真及其分析 ........................................................... 19 ： ..............................................................25 MMI耦合 器的級(jí)聯(lián)： .............................................25 致謝 ..................................................................... 31 參考文獻(xiàn) ................................................................. 32 譯文 ..................................................................... 33 摘 要 隨著光通信的迅猛發(fā)展，人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的要求越來越高，傳統(tǒng)的光通信已經(jīng)不能滿足人們的通信需求。 —— 7 做一個(gè)關(guān)于 多模干涉耦合器的應(yīng)用 的專題報(bào)告。 —— 2 了解多模干涉型光學(xué)耦合器的應(yīng)用，目前的發(fā)展。 解決思路：熟悉多模干涉型光耦合器的定義及其特點(diǎn)，掌握其各種參數(shù)的 計(jì)算方法從而求出結(jié)構(gòu)參數(shù)，用 OptiBPM 進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。 多模型型光器件是全光通信網(wǎng)重要的組成部分，在集成光學(xué)中，大部分的大型復(fù)雜器件及小型的通信網(wǎng)絡(luò)中都有相關(guān)的應(yīng)用，因此預(yù)計(jì)在國(guó)內(nèi)外的研究下將會(huì)有更先進(jìn)的理論和器件的出現(xiàn)。當(dāng)今的光纖通信系統(tǒng)發(fā)展方向，使光學(xué)器件的開發(fā)面臨這種種問題與機(jī)遇，開發(fā)出性能不僅優(yōu)良，而且價(jià)格相當(dāng)?shù)土墓鈱W(xué)器件使之大幅應(yīng)用于光網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)中成為光纖通信系統(tǒng)發(fā)展最主要的問題。 —— 8 討論光波在耦合器中光能量的傳輸 —— 9 完成一篇英文論文的翻譯。 —— 3 通過組內(nèi)討 論，理解多模干涉原理。 7 完成一篇英文論文的翻譯。 4 利用軟件建模。 本人完全清楚本聲明的法律后 果，申請(qǐng)學(xué)位論文和資料若有不實(shí)之處，本人愿承擔(dān)相應(yīng)的法律責(zé)任。 論文作者簽名： 時(shí)間： 年 月 日 指導(dǎo)教師簽名： 時(shí)間： 年 月 日 西 安 郵 電 大 學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )任務(wù)書 學(xué)生姓名 熊杰 指導(dǎo)教師 時(shí)堅(jiān) 職稱 講師 學(xué) 院 電子工程學(xué)院 系 部 光電子技術(shù)系 專 業(yè) 光信息科學(xué)與技術(shù) 題 目 多模干涉型光學(xué)耦合器的仿真設(shè)計(jì) 任務(wù)與要求 1 查閱相關(guān)資料，閱讀相關(guān)文 獻(xiàn)。選取耦合器參數(shù)，設(shè)計(jì)多模干涉型光學(xué)耦合器。 8 完成論文寫作并進(jìn)行修改。 —— 4 利用軟件建模。 —— 10 完成論文寫作并進(jìn)行修改 主要參考書目 (資 料 )： 1 基于多模干涉耦合器的集成熱光開關(guān)實(shí)驗(yàn)研究 萬助軍 吳亞明 光學(xué)學(xué)報(bào) , 2020 2 多模干涉型集成光學(xué)器件研究進(jìn)展 馬慧蓮 光電子 在光通信系統(tǒng)使用的各種器件中， 光耦合器按照制作工藝以及其主要結(jié)構(gòu)通常可以分為熔融拉錐型和波導(dǎo)型兩種類型的耦合器，波導(dǎo)型光耦合器因?yàn)榫哂谐叽缧。亓枯^輕，而且易于集成等眾多優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在集成光學(xué)中得到了大幅的應(yīng)用。 2． 本課題需要重點(diǎn)研究的關(guān)鍵問題、解決的思路及實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)的可行性分析 關(guān)鍵問題： 。 預(yù)期目標(biāo)： 完成課題分以下幾個(gè)主要階段性目標(biāo)。 —— 3 通過組內(nèi)討論，理解多模干涉原理 。 —— 8 討論光波在耦合器中光能量的傳輸。而波分復(fù)用技術(shù)是解決光通信的容量和速率的最佳解決方案。從而根據(jù)參數(shù)的選擇來設(shè)計(jì)出適合各種場(chǎng)合的多模干涉型器件。多模干涉型光學(xué)耦合器相比于傳統(tǒng)耦合器具有結(jié)構(gòu)緊湊，頻帶較寬以及對(duì)偏振不敏感的特性，已經(jīng)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。用戶需求調(diào)查顯示，為了滿足上述用戶的需求，高端用戶的下行接入需求將達(dá)到 20MB~30MB， 而到 2050時(shí)將會(huì)更高，將達(dá)到 50MB~100MB 的帶寬需求，這顯然是目前依托電話線的 ADSL 所能提供的 2M~3M 的帶寬所不能完成的。正是由于它的這種特性，從波分復(fù)用 （ WDM）系統(tǒng)到無源光網(wǎng)絡(luò)（ PON）系統(tǒng)，光耦合器具有不可替代的地位。 本章主要介紹了波分復(fù)用傳輸 技術(shù)，從其概念、優(yōu)點(diǎn)和原理對(duì)其有一個(gè)簡(jiǎn)單的認(rèn)識(shí)。 2 光纖中光的傳播 使用光波來通信已經(jīng)有五千多年的歷史了。 幾何光學(xué)法 光在光纖中的傳播可以用簡(jiǎn)單的幾何光學(xué)原理來說明。則在光纖中能發(fā)生全反射的最小角度 c? 為 21arcsin( )cnn? ? () 當(dāng)光線以臨界角入射時(shí)，入射角 i? 記為 ic? ，根據(jù)幾何關(guān)系， ic? 可以用 1n 和 2n 來表示由090cr???? 和 1si n si no ic rnn??? 可知： 01si n si nic rnn??? () 0sin i ? 稱為光纖的數(shù)值孔徑（ NA）， ic? 是光纖的接收角。在這種情況下，光線在光纖中的傳播距離為 max:L 1m a x2 21sin c nLLLL n nn?? ? ? () 因此，最大的傳播時(shí)間為： 2m a x 1 2 1m a x 12L n L n n Lt v c n n c? ? ? () 上訴兩種光線傳播的時(shí)間差為 )1( 211m inm a x ????? nncLnttt () 值得注意的是，傳播時(shí)間差從根本上限制了傳送信息的最大帶寬。另外還可以假設(shè)光波是簡(jiǎn)諧振蕩波，對(duì)這一線性系統(tǒng)，一般可以用基于傅里葉變換的加權(quán)求和來處理，在這些假定下，準(zhǔn)單色光場(chǎng)的電場(chǎng)滿足下面的波動(dòng)方程： 2 2 20 0E n k E? ? ? () 其中 2 2 2c??? 是波數(shù)， ? 是角頻率， c 是真空中的光速， 12()rrn ??? 是光纖的材料折多模干 涉型光耦合器的仿真設(shè)計(jì) 4 射率，它是角頻率的函數(shù)，即 ()nn?? 。式 ()很復(fù)雜，對(duì)階躍折射率光纖可以得到一個(gè)解析式，階躍光纖的折射率分布可以描述為： 12,(),nanna?????? ??? （ 225） 多模干 涉型光耦合器的仿真設(shè)計(jì) 5 其中 a 是纖心的半徑，將（ ）帶入到 ()，得到下面的方程組： 22 2 2 21022( ) 1 ( ) ( ) ( ) 0 ,d F d F mn k F add?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ? ?, () 2 2 220( ) 1 ( ) ( ) ( ) 0 ,d F d F mn k F add?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ? ? () 為了簡(jiǎn)化 ()和 ()，我們將定義兩個(gè)新的常數(shù)： 2 2 2 210nk????； 2 2 2 220nk???? 將新定義的常數(shù)帶入 ()和 ()，將得到： 22222222( ) 1 ( ) ( ) ( ) 0 ,( ) 1 ( ) ( ) ( ) 0 ,d F d F m Faddd F d F m Fadd?? ? ? ??????? ? ? ?????? ? ? ? ?? ? ? ? ? 上面兩式分別是著名的貝塞爾方程和修正貝塞爾方程其解為貝塞爾函數(shù)： ( ) ( ) ,()( ) ( ) ,mmA J B Y aFC K D I a? ? ? ? ??? ? ? ? ?? ? ??? ?? ? ?? () 其中 mJ 是 m 階一類貝塞爾函數(shù) ,mY 是 m 階二類貝塞爾函數(shù)， mK 是 m 階二類修正貝塞爾函數(shù)， mI 是 m 階一類修正貝塞爾函數(shù)， , , ,ABCD 是常數(shù)。39。將 2 2 2 210 。對(duì)于沒有衰減的傳播， ?應(yīng)為實(shí)數(shù)，為了簡(jiǎn)單，假設(shè)光僅在一個(gè)方向傳輸，那么對(duì)于選定的方向， ? 必須滿足 0?? ； （ 2）由條件 2 2 2 210 0nk??? ? ?和 0,?? 知 10nk?? ；由條件 2 2 2 220 0nk??? ? ?和 0,?? 知20nk?? ，那么 ? 的約束條件為 210:nnk???； （ 3）把其約束條件兩邊同乘以 01,k 有： 2 0 1n k n???； 0nk?? 定義為光場(chǎng)傳播常數(shù)為 ? 的光纖的有效折射率，那么，有效折射率的值應(yīng)該是