【正文】 多模波導(dǎo)不同位置處光場(chǎng)橫向分布和多模波導(dǎo)起始端 ( 0z? 處 ) 的光場(chǎng)橫向分布發(fā)生變化。它定義為器件在工作帶寬范圍內(nèi)，各輸出端口輸出光功率的最大變化率。具有這種結(jié)構(gòu)的耦合器件稱(chēng)為 NM? 多模干涉耦合器。雙向傳輸?shù)膯?wèn)題可以將兩個(gè)方向的信號(hào)分別安排在不同波長(zhǎng)傳輸即可解決。 光波分復(fù)用的優(yōu)點(diǎn) 是目前解決通信容量危機(jī)的最佳選擇方案。( ) ( )( ) ( )mmJ a K aJ a K a??? ? ? ???； 該式稱(chēng)為色散關(guān)系。式 ()的解是 () ime ???? ○ 2 ，它描述了光場(chǎng)在角向是如何變化的，由于角函數(shù)的周期性，即 ( ) ( 2 ),? ? ? ? ???m 必須是一個(gè)整數(shù)。 假設(shè)光纖長(zhǎng)為 L ，當(dāng)入射角 00i?? ，光線(xiàn)穿過(guò)光纖的最短時(shí)間為 mint ，從理論上可以給出min:t 1m in1nLLLt v c n c? ? ? () 當(dāng)光線(xiàn)以臨界角入射穿過(guò)光纖時(shí)需要花費(fèi)的時(shí)間最長(zhǎng)，為 maxt 。 光在光纖中的傳播分析方法有幾何光學(xué)法和波導(dǎo)光學(xué)法。 本章主要介紹了光在光纖中的傳播，用幾何光學(xué)法和波動(dòng)光學(xué)法對(duì)其進(jìn)行分析。 在接入網(wǎng)領(lǐng)域，隨著寬帶接入用戶(hù)對(duì)視頻業(yè)務(wù)、 VOD、 IPTV 及互動(dòng)游戲等極占帶寬的業(yè)務(wù)需求的不斷增長(zhǎng)，對(duì)帶寬的需求也在呈現(xiàn) 出不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì)。從 實(shí)驗(yàn)中得到包層折射率、波導(dǎo)折射率和波導(dǎo)長(zhǎng)度及寬度對(duì)光場(chǎng)分布的影響。 —— 7 做一個(gè)關(guān)于 多模干涉耦合器的應(yīng)用 的專(zhuān)題報(bào)告。 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)。當(dāng)今的光纖通信系統(tǒng)發(fā)展方向，使光學(xué)器件的開(kāi)發(fā)面臨這種種問(wèn)題與機(jī)遇，開(kāi)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(wèn)題。 —— 3 通過(guò)組內(nèi)討 論，理解多模干涉原理。 4 利用軟件建模。 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(shū) 學(xué)生姓名 熊杰 指導(dǎo)教師 時(shí)堅(jiān) 職稱(chēng) 講師 學(xué) 院 電子工程學(xué)院 系 部 光電子技術(shù)系 專(zhuān) 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)。 8 完成論文寫(xiě)作并進(jìn)行修改。 —— 10 完成論文寫(xiě)作并進(jìn)行修改 主要參考書(shū)目 (資 料 )： 1 基于多模干涉耦合器的集成熱光開(kāi)關(guān)實(shí)驗(yàn)研究 萬(wàn)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 2． 本課題需要重點(diǎn)研究的關(guān)鍵問(wèn)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(wèn)題： 。 —— 3 通過(guò)組內(nèi)討論，理解多模干涉原理 。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。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(lái)越廣泛的應(yīng)用。正是由于它的這種特性，從波分復(fù)用 （ WDM）系統(tǒng)到無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（ PON）系統(tǒng)，光耦合器具有不可替代的地位。 2 光纖中光的傳播 使用光波來(lái)通信已經(jīng)有五千多年的歷史了。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(xiàn)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(lái)表示由090cr???? 和 1si n si no ic rnn??? 可知： 01si n si nic rnn??? () 0sin i ? 稱(chēng)為光纖的數(shù)值孔徑（ NA）， ic? 是光纖的接收角。另外還可以假設(shè)光波是簡(jiǎn)諧振蕩波，對(duì)這一線(xiàn)性系統(tǒng)，一般可以用基于傅里葉變換的加權(quán)求和來(lái)處理，在這些假定下，準(zhǔn)單色光場(chǎng)的電場(chǎng)滿(mǎn)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?? 。39。對(duì)于沒(méi)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(mǎn)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)該是介于 12,nn之間的； （ 4）如果給定一個(gè) m 的值，將可以求的一系列的 ? 的值，用 n 標(biāo)記，那么對(duì)于不同 m 和n 的值，將得到許多可能的傳播常數(shù) mn? ，因?yàn)?m 和 n 是整數(shù)，所以 mn? 是一系列離散的數(shù)值，每一個(gè) mn? 將對(duì)應(yīng)于一個(gè)傳播模式； （ 5）為了得出光纖中傳播的模式數(shù)，首先定 義歸一化頻率 :V 2 2 2 2 2 2 2 2 2 20 0 1 2 0 1 2 0( ) ( )V k a k a n n k a n n k a N A??? ? ? ? ? ? ? ? 當(dāng) ? 時(shí)， ? 的解是唯一的，也就是說(shuō)光纖里面只有一個(gè)模式的波傳播，當(dāng)V 更大時(shí)，光纖中的模式數(shù)約為 2 2VN? 。 WDM 技術(shù)具有靈活方便的優(yōu)點(diǎn)，由于 WDM 系統(tǒng)各信道上傳輸?shù)男盘?hào)可以具有彼此獨(dú)立的比特率和體系。 MMI 器件通常應(yīng)用在高折射率差材料構(gòu)成的光路中，因?yàn)樵趶?qiáng)制條件下成像的質(zhì)量比較高。 分光比 分光比是光耦合器所特有的技術(shù)術(shù)語(yǔ)。隔離度高，線(xiàn)路之間的“串話(huà)”小，對(duì)于光耦合器來(lái)說(shuō)，隔離度的意義是用于反映 WDM 器件對(duì)不同波長(zhǎng)信號(hào)的分離能力，其表達(dá)式為： 多模干 涉型光耦合器的仿真設(shè)計(jì) 10 10 lg ( )iinpI dBp?? （ ） 其中 ip 表示某一光路輸出端測(cè)到的其他光路信號(hào)的功率值， inp 是被檢測(cè)光的輸入功率值。對(duì)于一般性干涉問(wèn)題來(lái)說(shuō) , 對(duì)任一模次 v ，多模干 涉型光耦合器的仿真設(shè)計(jì) 11 場(chǎng)激勵(lì)系數(shù) C? 都不為 0 。 而對(duì)于成對(duì)干涉的多模干涉耦合器 ， 當(dāng)模次 2,5,8.....v? 時(shí) ， 場(chǎng)激勵(lì)系數(shù) 0C?? 必須將輸入波導(dǎo)關(guān)于 6yw?? 或 6yw??? 對(duì)稱(chēng)設(shè)置，其中 w? 為多模波導(dǎo)有效寬度。 當(dāng) 模次 為 1,3,5... 的模式關(guān)于多模波導(dǎo)中線(xiàn)奇對(duì)稱(chēng) ， 對(duì)稱(chēng)的輸入 場(chǎng)和反對(duì)稱(chēng)的模場(chǎng)積分為 0, 場(chǎng)激勵(lì)系數(shù)為 0 。 5 波導(dǎo)器件傳光的基本原理 平板光導(dǎo)波傳光原理 平板光波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)及簡(jiǎn)單傳輸原理 平板光波導(dǎo)是一種非常重要的波導(dǎo)，它是集成光學(xué)器件的基礎(chǔ)，其最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)是：由 3 層構(gòu)成，中間是一層折射率為 1n 的波導(dǎo)薄膜層，它覆蓋在折射率為 2n 的襯底上，在它的上面是折射率為 3n 的包層（也叫覆蓋層）包層通常為空氣 3( 1),n? 為了將光束約束在波導(dǎo)里面?zhèn)鞑?，?yīng)該滿(mǎn)足 1 2 3,n n n?? 對(duì)于 23nn? 的波導(dǎo)，通常稱(chēng)為對(duì)稱(chēng)平面波導(dǎo)；對(duì)于 23nn? 的波導(dǎo)，通常稱(chēng)為非對(duì)稱(chēng)平面波導(dǎo)。因此，在波導(dǎo)內(nèi)傳播的平面波要形成穩(wěn)定的場(chǎng)分布，也就是說(shuō)要形成一定的傳播模式，必須滿(mǎn)足波在波導(dǎo)兩分界面之間來(lái)回傳播一次產(chǎn)生的相位變化等于 2? 的整數(shù)倍，可以表示為： 1 0 1 22 c os 2n k h m? ? ? ? ?? ? ? ? （ ） 多模干 涉型光耦合器的仿真設(shè)計(jì) 14 式中， ? 是薄膜內(nèi)的入射角； h 是薄膜厚度； 12,??分別是光波在薄膜 覆蓋（空氣）界面上以及薄膜 襯底分界面上全反射時(shí)產(chǎn)生的相位變化。 對(duì)于二維平面波導(dǎo)，凡是滿(mǎn)足全反射條件入射而保持在波導(dǎo)里傳輸?shù)墓猓覀兌紝⑵湟暈椴▽?dǎo)的一個(gè)傳輸模式，而且在一 定的波長(zhǎng)下，隨著波導(dǎo)厚度的增加所允許傳輸?shù)膶?dǎo)模數(shù)量也增加。對(duì)于給定波長(zhǎng)的光波來(lái)說(shuō)，波導(dǎo)的厚度與寬度以 及它周?chē)橘|(zhì)折射率差大小決定波導(dǎo)傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)。我們把這一現(xiàn)象稱(chēng)為光學(xué)定向耦合，由此構(gòu)成的光波導(dǎo)器件稱(chēng)為光學(xué)定向耦合光開(kāi)關(guān)，也叫定向耦合器，為了產(chǎn)生同步輻射耦合，光波導(dǎo)在各個(gè)波導(dǎo)內(nèi)傳播的相速度即傳播常數(shù) ? 應(yīng)相同。（宋豐華 現(xiàn)代光電器件技術(shù)及應(yīng)用 北京 國(guó)防工業(yè)出版社 ， 123~124） 、 MMI 光開(kāi)關(guān) 光開(kāi)關(guān)無(wú)論在空分、時(shí)分還是波分復(fù)用系統(tǒng)中都是全光通信系統(tǒng)中的一種重要的器件。 N 條輸入波導(dǎo)可以任意的選擇輸入光的光場(chǎng)，輸入光的光場(chǎng)在經(jīng)過(guò)第一個(gè)多模波導(dǎo)后會(huì)進(jìn)行光功率的平均分配，輸入光場(chǎng)在到達(dá)第二個(gè)多模波導(dǎo)時(shí)的相位則是用相移器來(lái)控制，再次進(jìn)行多模干涉，所需要的成像最終就會(huì)從輸出波導(dǎo)中的某個(gè)輸出，這樣就會(huì)達(dá)到對(duì)輸出光的控制。如圖 所示，以 m/ m 2 波長(zhǎng)分復(fù)用器為例， m 和 m 兩個(gè)不同的光從同一單模輸入波導(dǎo)入射，經(jīng)多模波導(dǎo)后，兩波長(zhǎng)在不同單模波導(dǎo)輸出，即可實(shí)現(xiàn)兩波長(zhǎng) 的分離。基于強(qiáng)限制的 MMI有帶寬小和性能參數(shù)對(duì)寬度依賴(lài)強(qiáng)兩個(gè)缺點(diǎn)。 多模波導(dǎo) 多模干 涉型光耦合器的仿真設(shè)計(jì) 19 7 仿真及其分析 當(dāng)我們將 guide 的折射率設(shè)置為 ， cladding 的折射率設(shè)置為 ， 2D 材料定義為： guide，波導(dǎo)寬度設(shè)置為 ，在 z 軸上的偏移量設(shè)置為 5300，寬波導(dǎo)的寬度設(shè)置為60，我們將得到圖 1 圖 1 簡(jiǎn)單 MMI 耦合器光場(chǎng)干涉圖 這是創(chuàng)建的一個(gè)簡(jiǎn)單的 MMI 型耦合器，用軟件 OptiBPM 軟件模擬后光場(chǎng)的 2D 分布圖像，從圖像中可以看出，圖中。帶寬對(duì)于應(yīng)用于光網(wǎng)絡(luò)的光器件來(lái)說(shuō)是一個(gè)相當(dāng)重要的指標(biāo)。 1480nm/1550nm和 980nm/1550nm應(yīng)用于 C波段光纖放大器，1480nm/1590nm和 980nm/1590nm應(yīng)用于 L波段光纖放大器。 1 1 2 2 . 移相器 . N N 圖 MMIMZI 光開(kāi)關(guān)示意圖 一類(lèi)結(jié)構(gòu)則是為了使多模波導(dǎo)同時(shí)具備移相的功能，在多 模干涉型耦合器的波導(dǎo)側(cè)壁附加上輸入電極，如圖 所示。為了實(shí)現(xiàn)多址傳送，這就要求眾多的光開(kāi)關(guān)單元按照樹(shù)枝狀網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)組成大規(guī)模的光開(kāi)關(guān)矩陣。當(dāng)條形波導(dǎo)加入電壓后，由于電光效應(yīng)引起波導(dǎo)區(qū) ? 的改變，一段式 ? 電極定向耦合存在下列關(guān)系，其交叉狀態(tài)為： 0 12?? ??? ?cLL （ ） 式中 v 為整數(shù)， 0L 稱(chēng)為耦合長(zhǎng)度?？梢韵胂笠粋€(gè)光波導(dǎo)耦合模型：折射率為 1n 和 2n的兩個(gè)條形波導(dǎo)并列于折射率為 3n 的稱(chēng)底中，下面我們將從 這個(gè)模型進(jìn)行討論。 在二維波導(dǎo)內(nèi)傳輸?shù)墓馔ǔ４嬖趦煞N偏振模式。該方程求解困難，但是對(duì)于一定的 0 1 2,n n n 和 m 可以從 ? 的值計(jì)算出薄膜厚度 h ，這樣 h 和 ? 就建立起了一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。 平面波導(dǎo)中模的基本概念 假設(shè)波導(dǎo)是二維均勻波導(dǎo)，且各層材料是各向同性的，入射光是平面波，假設(shè)13 12,pp??分別是波導(dǎo)和覆蓋層以及波導(dǎo)和襯底層兩個(gè)界面的全反射臨界角。 長(zhǎng)度為 34L? 奇數(shù)倍的多模波導(dǎo)終端得到反演像和輸入場(chǎng) ( ,0)y? 關(guān)于多模波導(dǎo)中線(xiàn)成軸對(duì)稱(chēng) ；在 長(zhǎng)度為 34L? 偶數(shù)倍的多模波導(dǎo)的終端得到輸入場(chǎng)的正像。 這樣就 會(huì)使得對(duì)稱(chēng)的輸入場(chǎng)和反對(duì)稱(chēng)的模場(chǎng)積分為 0, 使場(chǎng)激勵(lì)系數(shù)為 0 ；在長(zhǎng)度為 L? 整數(shù)倍的多模波導(dǎo)的終端 ， 得到的是輸入光場(chǎng) 的單個(gè)像。 根據(jù)上述方法，便可推導(dǎo)多模波導(dǎo)任一截面橫向場(chǎng)分布。 根據(jù)導(dǎo)模分析法，光場(chǎng)在多模波導(dǎo)任一截面的分布可以寫(xiě)成所 有導(dǎo)模的線(xiàn)性疊加，表示為： 10( , ) ( , ) e x p [ ( ) ]mvvvy z C y z j w t z???? ? ? ?? （ ） 將（ ）提出公因式 0exp( )j j t????，其模恒等于 1，則（ ）可寫(xiě)為： 100( , ) ( ) e x p [ ( ) ]mvvy z C y j z??????? ? ? ?? （ ） 在多模波導(dǎo)區(qū) ， 不同模式光由于其