【正文】 內(nèi)完成規(guī)定的工作。多模干涉（ MMI） 光耦合器作為波導(dǎo)性光耦合器的一種，由于具有插入損耗較低，其結(jié)構(gòu)緊湊、制作工藝簡單、頻帶較寬、對偏振不敏感以及容差性好等特點，已經(jīng)開始越來越多的應(yīng)用于光纖通信系統(tǒng)中 。 。 1 經(jīng)過小組討論掌握熟悉多模干涉型光耦合器的特點，掌握各種參數(shù)的計算方法； 2 經(jīng)過小組討論，熟悉軟件的使用方法并建模； 3 對多模 干涉型光耦合器的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行計算，并設(shè)計出其初始結(jié)構(gòu)； 4 經(jīng)過修改參數(shù)，得到最優(yōu)的方案； 可行性分析：方案已經(jīng)建立，方法可行。 —— 4 利用軟件建模。 —— 9 完成一篇英文論文的翻譯。多模干涉型（ MMI）光耦合器因其結(jié)構(gòu)緊湊，頻帶寬以及對偏正不敏感等特性而成為為波分復(fù)用技術(shù)最主要的器件，越來越多得應(yīng)用于光通信中了。 關(guān)鍵詞：光的傳播、波分復(fù)用、多模干涉、波導(dǎo)器件、 MMI 耦合器 Abstract With the rapid development of optical munication, the high demand for work bandwidth increasingly, traditional optical munication cannot meet the people39。 課題研究的目的和意義 近年來隨著電信通信業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，人們希望能有高質(zhì)量的寬帶，而光網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)被認(rèn)為是最理想的解決方案。因此對以無源光網(wǎng)絡(luò) （ PON） 等技術(shù)為支持FTTH 等光線接入技術(shù)的需求無疑是一種機遇和挑戰(zhàn)。 本文內(nèi)容簡介 本文主要介紹了光在光纖中傳播時所用的波分復(fù)用技術(shù)及對多模干涉型耦合器的原理和其中的光場的一些討論。 多模干 涉型光耦合器的仿真設(shè)計 2 ，以及對多模干涉的光場進(jìn)行了討論，介紹了 MMI 耦合器的性能指標(biāo)。在古代，人們就通過控制燈光的明滅來傳送信息，近年來，隨著光纖以及諸多光器件的出現(xiàn)，光纖通信已經(jīng)成 為長距離寬帶通信的核心技術(shù)。光纖的結(jié)構(gòu)包括 3 層：纖心、包層以及最外面起保護(hù)作用的涂覆層。當(dāng)入射角 i ic??? 時，光線在纖心中和包層界面上發(fā)生內(nèi)全發(fā)射，因而光線在光纖中傳播時不會有嚴(yán)重的衰減；然而，當(dāng) i ic??? 時，光線在纖心和包層的界面上會發(fā)生能量泄露，造成嚴(yán)重的衰減。為了避免不同傳播時間的信息相互混淆，最大帶寬 B 為 )1(11211 ????nncLntB () 動光學(xué)法 由于光纖的橫向尺寸與光的波長相比擬，因而需要更為精確的波動光學(xué)理論來分析，尤其是模式理論，才能解釋在光纖中發(fā)生的現(xiàn)象。 是拉普拉斯算 子，由于光纖的圓柱對稱 性，所以在柱坐標(biāo)下解（ ）很方便，為了方便，首先處理電場在 z 軸的分量 zE ， 這時（ ）變?yōu)椋? 2 2 20 0zzE n k E? ? ? （ ） 在柱坐標(biāo)下，（ ）式可以可以寫成： 22 2202 2 211( ( ) ) ( , , ) ( , , )zzE z n k E zz? ? ? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ?? ? ? ? 2 2 2 2202 2 2 211( ) ( , , ) ( , , )zzE z n k E zz ? ? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? 2 2 2 2202 2 2 2( , , ) ( , , ) ( , , ) ( , , )11 ( , , )z z z z zE z E z E z E z n k E zz? ? ? ? ? ? ? ? ??? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ? 0? () 式（ ）是一個偏微分方程，包括三個變量 ( , , )z?? ，既然是線性微分方程，可以通過變量分離法求解，可假設(shè) ( , , ) ( ) ( ) ( )zE z F Z z? ? ? ? ??? （ ） 把式（ ）帶入式（ ），可以得到下面三個方程： 2 22() ( ) 0d Z z Zzdz ??? () 2 22() ( ) 0d md?? ??? ?? () 22 2 2 222( ) 1 ( ) ( ) ( ) 0od F d F mn k Fdd?? ??? ? ? ?? ? ? ? ? () 其中 m 是整數(shù)， ? 是常數(shù)。當(dāng) 0?? 時， ( ) ,mY ?? ?? 但是光不能無窮大， B 必須為 0 ，同樣 D 必須為 0 ，這樣 ()F? 就可簡化為： ( ) ,()( ) ,mmA J aFC K a? ? ???? ????? ???? () 把式（ ○ 1 ）（即式 ()的解）、（ ○ 2 ）（ ()的解）、（ ）代入（ ）式，可以得到光場 zE 的最終解為： ( , , , ) ( ) ,im i z i tzmE z t A J e e e a? ? ?? ? ?? ??? 或 ( , , , ) ( ) ,im i z i tE z t C K e e e a? ? ?? ? ?? ??? () 然后通過麥克斯韋方程可求的 , , , ,zH E E H H? ? ? ?利用纖心和包層表面的邊界條件可以求的常數(shù) ? 和 ? ，此邊界條件在數(shù)學(xué)上可表示為： ( ) | ( ) | 。( ) ( )mmA J a C K a? ? ? ?? ? ? ? ? 將這兩式相除，得： 39。nk????2 2 2 220nk???? 代入上式得： 2 2 2 2 2 21 0 2 02 2 2 39。 多模干 涉型光耦合器的仿真設(shè)計 7 3 波分復(fù)用光傳輸技術(shù) 波分復(fù)用的基本概念 波分復(fù)用是光纖通信中的一種傳輸技 術(shù)，它利用了一根光纖可以同時傳輸多個不同波長的光載波的特點，把光纖可能應(yīng)用的波長范圍劃分為若干個波段，每個波段用作一個獨立的通道傳輸一種預(yù)定波長的光信號。 。 WDM 的基本原理 WDM 技術(shù)是為了充分利用單模光纖低損耗區(qū)帶來的巨大帶寬資源，根據(jù)每一個信道光波的頻率 9（或波長）不同可以將光纖的低損耗窗口劃分為若干個信道，把光 波作為信號的載波，在發(fā)送端采用波分復(fù)用器（合波器）將不同規(guī)定波長的信號合并起來送入一根光纖進(jìn)行傳輸，在接收端再由另一波分復(fù)用器（分波器）將這些不同波長承載不同信號的光載波分開。WDM 本質(zhì)上是光域上的頻分復(fù)用（ FDM）技術(shù)，每個波長通路通過頻域的分割來實現(xiàn)，每個波長通路占用一段光纖的帶寬。 多 模干涉器件原理 多模干涉耦合器的主要結(jié)構(gòu)是可以同時傳輸多個模式（一般大于 3個）的多模波導(dǎo)。 插入損耗 對 于耦合器來說，插入損耗定義為指定輸出端口的光功率相對全部全部輸出光功率的減少值，該值通常用分貝（ dB）來表示： 1 0 lg ( )ovni inpLL dBp?? （ ） 其中 iLL 是第 i 個輸出波導(dǎo)的輸出損耗， ownp 是第 i 個輸出波導(dǎo)測得的光功率， inp 是由輸入波導(dǎo)輸入的光功率。它定義為耦合器各輸出端口的輸出功率的比值，在具體應(yīng)用中常用相對輸出總功率的百分比來表示： 100%ovnoutpCR p??? （ ） 例如對于標(biāo)準(zhǔn)的 X 型耦合器， 1:1 或者 50:50 代表了同樣的分光比，即 它們均是輸出為均分的器件，在實際工程中通常需要各種不同分光比的器件，這就可以通過控制制作過程來改變波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)來得到。它是指當(dāng)輸入光偏振太發(fā)生 3600變化時，器件各輸出端口輸出光功率的最大變化量： 1 0 lg ( )o u tjjo u tjM IN pP D L d BM A X p?? （ ） 在實際應(yīng)用中，光信號偏振態(tài)的變化是經(jīng)常發(fā)生的?！?1】 多模干涉耦合器光場的討論 由于全模式分析法比較復(fù)雜，而且在實際中，可以忽略輻射膜，因此我們將采用導(dǎo)模傳輸分析法，在僅考慮導(dǎo)模的情況下，輸入場可以寫成 m 個導(dǎo) 模的線性疊加： 10( , 0 ) ( )mvvvy C y?????? （ ） 其中 ()v y? 是 v 次模的光場， C? 是激勵系數(shù)， ( ,0)y? 表示 0z? 處光場的橫向分布。 多模干涉耦合器可以分為一般性干涉耦合器和限制性干涉耦合器。而對與成對干涉，模次 2,5,8.....v? 時，場激勵系數(shù) =0C? ；對稱干涉中，模次 1,3,5....v? 時，場激勵系數(shù) =0C? 。這兩個像關(guān)于多模波導(dǎo)的中線對稱分布 ， 相位相差 2? 。在6yw??? 處，模次 v 為 2,5,8..... 的模次光場的場強為 0, 且關(guān)與 6yw??? 奇對稱。以上討論中 ,PN為互質(zhì)的自然數(shù)。 在長度為34L? 的 整數(shù) 倍 的多 模波導(dǎo)終端 ， 得到的是輸入場的單個像 。 根據(jù)導(dǎo)模傳輸分析法便可以得到的基于 3種不同干涉原理的多模干涉耦合器中出現(xiàn)單像和多像縱向位置和橫向位置。 光在平面波導(dǎo)中傳輸服從全反射規(guī)律，上節(jié)提到為了使光波在平面光波導(dǎo)內(nèi)傳輸，其折射率應(yīng)滿足 1 2 3,n n n?? 從光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)時，存在一個產(chǎn)生全反射的臨界角，當(dāng)光線入射角小于臨界角時 ，光線將從光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)，僅當(dāng)光線入射角大于臨界角時才可能在界面上產(chǎn)生全反射。既然在波導(dǎo)內(nèi)存在兩個方向相反的平面波，那么，由波動光學(xué)可知 ，它們將形成駐波。以 S 波（在波導(dǎo)理論中通常稱為 TE 波）為例， 12,??由式（ ）決定： 12 2 2 21 1 0 12 a r c t a n [( s i n ) c o s ]n n n? ? ?? ? ? （ ） 12 2 2 22 1 2 12 a r c t a n [( s i n ) c o s ]n n n? ? ?? ? ? （ ） 方程（ ）稱為平板導(dǎo)波的模式本征方程， m 稱為模序數(shù)，它是從零開始的有限個正整數(shù)。即波導(dǎo)對入射角是具有選擇性的，而 m 只能取有限個正整數(shù)，所以平板波導(dǎo)所能維持的波導(dǎo)數(shù)量也是有限的； （ 2） 對于一定的模式，存在一個最小膜厚度（稱為截止膜厚）。對于一定波長的光來說，當(dāng)非對稱波導(dǎo)的厚度下降到某一值后，光波不能再在波導(dǎo)里傳輸，我們把波導(dǎo)層的這一厚度稱為波導(dǎo)截止厚度；對于給定的波導(dǎo)厚度，當(dāng)波長增加到一定長度時，光波將不能在波導(dǎo)里傳播，我們稱這時的波長為導(dǎo)模的截止波長，這是非對稱平面光波所特有的性能。 0m? 的導(dǎo)模稱為基模。（宋豐華 現(xiàn)代光電器件技術(shù)及應(yīng)用 北京 國防工業(yè)出版社 ， 31~35） 光波導(dǎo)的耦合分析 在實際應(yīng)用中，常常需要將一個光波導(dǎo)中的能量耦合到相鄰的光波導(dǎo)中去，以實現(xiàn)方向耦合、開光、調(diào)制、濾波等功能。方程（ ）稱為耦合模方程，是研究和討論耦合效應(yīng)的基礎(chǔ)。耦合功率與波導(dǎo)的間距、相互作用的長度及模式的場與條形波導(dǎo)方向的橫向衰減系數(shù)有關(guān)。 一個確定長度的定向耦合器，其最關(guān)鍵的參數(shù)時耦合長度 0L ，它由描述兩波導(dǎo)耦合強弱的耦合系數(shù)決定。在以往使用的 2 2 光開關(guān)結(jié)構(gòu)是由 MZ 移相器與 2 個 3dB Y 型波導(dǎo)耦合器連接組成。 MMI 型結(jié)構(gòu)的光開關(guān)有以下兩種控制方式，第一種控制方式則是改變多模波導(dǎo)整體參數(shù)，通用的方法是利用電極，兩個具有不同折射率或者分布結(jié)構(gòu)參數(shù)的多模波導(dǎo)結(jié)構(gòu)在電極的作用下進(jìn)行切換，從而得到電極作用或電極不作用時兩種不同的輸出效果；第二種為相位控制，就是對光場相位的分布進(jìn)行調(diào)節(jié)來控制輸出光場。對于選擇輸出波導(dǎo)則可通過調(diào)整移相器一定的長度來實現(xiàn)，不同長度的移相器，則會在不同的 波導(dǎo)輸出。所以，給定電極是否作用的兩種狀態(tài)下，研究作用電極的作用位置以及輸入光光場和輸出光光場在多模波導(dǎo)內(nèi)的分布情況，就可以得出電極作用時所需光場分布的改變情況，便可通過對電極參數(shù)的調(diào)整來滿足這種需要，設(shè)計出滿足特定要求的 MMI 光開關(guān)器件。 圖 m? / m? 波分復(fù)用器結(jié)構(gòu)示意圖 MMI型 2波長波分復(fù)用器還可用于光纖放大器中，用它將信號光和泵浦光合并到摻鉺光纖中進(jìn)行放大。在波分復(fù)用系統(tǒng)中，最關(guān)鍵的器件是波長復(fù)用器和解復(fù)用器，其性能的好壞直接影響光波分復(fù)用系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量。制作時對多模波導(dǎo)的寬度要精確控制。但弱限制 MMI器件輸出波導(dǎo)的間距比較小，對 于輸出波導(dǎo)如何引出的問題和輸出波導(dǎo)間的相互耦合特性還需進(jìn)一步