【正文】 ......... 13 1 引言 .................................................................... 1 本文內(nèi)容簡介 ........................................................... 1 2 光纖中光的傳播 .......................................................... 2 幾何光學(xué)法 ............................................................ 2 ............................................................ 3 3 波分復(fù)用光傳輸技術(shù) ...................................................... 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。s length and width affect the optical field distribution. Thus the selection of parameters to design the multimode interference devices for all occasions. Key words: the light propagation, wavelength division multiplexing, multimode interference waveguide devices, MMI coupler 多模干 涉型光耦合器的仿真設(shè)計 1 1 引言 隨著光通信系統(tǒng)朝著高速率、大 容量的方向發(fā)展，開發(fā)出性能優(yōu)良的集成光學(xué)器件已成為人們迫切的需要。在光通信所用的各種器件中，光耦 合器是一種能使傳輸中的信號在特定結(jié)構(gòu)區(qū)域內(nèi)發(fā)生耦合，再進(jìn)行分配的器件。 。假設(shè)光線入射的角度為 i? ，折射角為 r? ，在光纖內(nèi)部光線從纖心到包層的入射角是 ? 。光纖時絕緣介質(zhì)，因此其自由電荷密度是 0?? ，傳導(dǎo)電流密度 0j? 。mmA J a C K a??? ? ? 39。 2 2 21 1 0 2 0 2 0( ) ( )( ) ( )mmo m mJ n k a K n k an k J n k a n k K n k a??? ? ? ????? ? ? ? ? ? （ ） 該式?jīng)Q定了傳播常數(shù) ? 的可能值： （ 1）因子 ize? 描述了光在 z 軸方向的傳輸， ? 稱為傳播常數(shù)。 。 N 值較大的 MN? 型 MMI 耦合器有很多重要的應(yīng)用，這些應(yīng)用包括集成光開光、多信道上下路光復(fù)用器、相位陣列波分復(fù)用 /解復(fù)用器等。因此不同種類的光耦合器之間，插入損耗的差異并不能反映設(shè)計及制作質(zhì)量的優(yōu)劣。 隔離度 隔離度是指光耦合器件某一光路對其他光路中光信號的隔離能力。限制性干涉又可分為成對干涉和對稱干涉。其中 ,PN為互質(zhì)的自然數(shù)。 為實現(xiàn)這一要求 ， 輸入波導(dǎo)必須設(shè)置為關(guān)于多模波導(dǎo)中線對稱。 多模干 涉型光耦合器的仿真設(shè)計 12 比較上述 3種干涉器件單像和多像出現(xiàn)的位置可知 ， 要得到結(jié)構(gòu)緊湊的器件 ，便 要采用成對干涉或?qū)ΨQ干涉的多模干涉器件 ， 但要達(dá)到這種結(jié)構(gòu)緊湊的要求需 要嚴(yán)格的輸入波導(dǎo)設(shè)置。并且，如果波在兩分界面之間來回傳播一次產(chǎn)生的相位變化正好是 2? 的整數(shù)倍時，則多次來回來回傳播所形成的多個駐波都可以用同一個駐波方程來描述，這樣的駐波場是穩(wěn)定的。 平面光波導(dǎo)的主要性能 平面光波導(dǎo)的主要性能主要是指它的傳播模式的選擇、傳輸?shù)膿p耗、色散以及輸出光場分布等等。對于同一模序 ,m mTE 和 mTM 具有相似場分布。 定向耦合光開關(guān) 當(dāng)兩條結(jié)構(gòu)相反彼此平行的光波導(dǎo)相互靠近到一定距離時就會產(chǎn)生光功率的交換。此外定向耦合器的耦合長度與光波長的偏振狀態(tài)有關(guān)，利用這些特點(diǎn)，可以設(shè)計出波分器和選偏器等。如 圖所示，這種光開關(guān)結(jié)構(gòu)的輸入和輸出端是由兩個 N N MMI 型耦合器組成，用來連接前后兩段多模波導(dǎo)的 N 條波導(dǎo)臂移相器則是中間的陰影部分。由于 L π 是入射波長的函數(shù)，只要合理選擇多模波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，使得多模波導(dǎo)的長度為某一波長的 L π 偶數(shù)倍，為另一波長 L π 的奇數(shù)倍，多模干多模 波導(dǎo) 多模 波導(dǎo) 多模波導(dǎo)移相器 多模干 涉型光耦合器的仿真設(shè)計 18 涉耦合器就可以實現(xiàn)兩波長分離。 MMI器件由于具有插入損耗小、結(jié)構(gòu)緊湊、制作容差性好、工藝簡單及對偏振不敏感等優(yōu)點(diǎn)，已越來越多地應(yīng)用于光通信系統(tǒng)中。當(dāng)多模干涉區(qū)橫截面兩個方向尺寸相當(dāng)時，就必須考慮二維自映像效應(yīng)，這樣將原來的 MMI器件向三維空間拓展，可獲得更高集成度的 MMI器件。 ，分析了搶險之下 MMI器件的帶寬，并指出當(dāng) NN? MMI器件的路數(shù) N＞ 8 8?N 時很難得到令人滿意的帶寬。 MMI 型陣列波導(dǎo)光柵復(fù)用器 /解復(fù)用器 波分復(fù)用技術(shù)可以充分利用光纖巨大的帶寬資源，可以同時傳輸多種不同類型的信號，可以實現(xiàn)單根光纖雙向傳輸，具有高度的組網(wǎng)靈活性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性。多模干涉成像規(guī)律取決于包層折射率差和波導(dǎo)芯層的兩者之間的大小。在這種情況之下，連接光 波導(dǎo)的網(wǎng)絡(luò)分復(fù)雜，芯片面積需要很大，插入損耗會很長，因此需要找到一個短程的多址分束器。定向耦合器不加電壓，且器件長度 L 與耦合長度 0L 之比是奇數(shù)倍時，定向耦合處于交叉狀態(tài)。 耦合模式方程 首先我們假設(shè)波導(dǎo) 1 中傳輸?shù)哪Ｊ椒謩e為 12EE、 ，彼此間不存在耦合，那么 12EE、均可以表示為： 0( , , , ) ( , ) e xp [ ( ) ]E x y z t A x y i t z??? ? ? （ ） 且滿足微分方程： 0dE dz i E?? （ ） 其中 ( , )Axy 是橫截面的場分布。一種稱為 TE 模，它只有一個沿 y 方多模干 涉型光耦合器的仿真設(shè)計 15 向的電場分量；另一種稱 為 TM 模，它只有一個沿 y 方向的磁場， TE 模的磁場在 xz? 平面內(nèi)，而 TM 模的電場在 xz? 平面內(nèi)。在導(dǎo)波光學(xué)中，通常稱 0k? 為等效折射率，則 01sinN k n??? （ ） （ 1）當(dāng)膜厚度 h 一定時，對于給定的 m ，只有一個確定的 0k? 與之對應(yīng)，因此也只有一個確定的比值與其對應(yīng)。那么，根據(jù)菲涅爾定律可知，平面平板波導(dǎo)中有三種不同的模： （ 1）如果光線的入射角 ? 較小，滿足 13 12pp? ? ???，那么光在波導(dǎo) 薄膜上下界面均不發(fā)生全反射，因此，將有一部分光折射進(jìn)覆蓋層和襯底層，輻射出波導(dǎo)，這種模式稱為輻射模； （ 2）如果 ? 滿足 13 12,pp? ? ??? 在在波導(dǎo)和覆蓋層的臨界面上發(fā)生全反射，在波導(dǎo)和襯底臨界面上發(fā)生部分反射，這樣仍有一部分光波折射進(jìn)襯底，這種模式稱為襯底輻射模； （ 3）波導(dǎo)薄膜內(nèi)光線的入射角 ? 滿足 12 13,pp? ? ???這樣在上下兩個臨界面 上均發(fā)生全發(fā)射，這樣光線就被限制在波導(dǎo)薄膜里傳播，傳播路徑成鋸齒型，這種模式稱為導(dǎo)波模式或?qū)＃垂馐艿讲▽?dǎo)薄膜的引導(dǎo)而傳播。在長度為 38L? 奇數(shù) 倍的多模波導(dǎo)終端 ， 得到輸入場的兩重像。其中 , 當(dāng)長度為 L? 奇數(shù)倍時 ， 多模波導(dǎo)終端得到的是和輸入場 ( ,0)y? 關(guān)于多模波導(dǎo)中線成軸對稱的反演像 ；當(dāng) 長度為 L?偶數(shù)倍時， 多模波導(dǎo)終端得到輸入場的正像。對于一般性干涉多模干涉耦合器在長度為 3L? 整數(shù)倍的多模波導(dǎo)的終端，可得到輸入場的單個像，在這些像中，長度為 3L? 奇數(shù)倍多模波導(dǎo)終端，得到的是和輸入場 ( ,0)y? 關(guān)于多模波導(dǎo)中線 ( 0)y? 成軸對稱的反演像；在長度為 3L? 偶數(shù)倍多模終端，得到的是輸入場的正像（再現(xiàn)）。正是由于這種不同模式間的相位的相對移動 引起