【正文】 多模波導不同位置處光場橫向分布和多模波導起始端 ( 0z? 處 ) 的光場橫向分布發(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。具有這種結構的耦合器件稱為 NM? 多模干涉耦合器。雙向傳輸?shù)膯栴}可以將兩個方向的信號分別安排在不同波長傳輸即可解決。 光波分復用的優(yōu)點 是目前解決通信容量危機的最佳選擇方案。( ) ( )( ) ( )mmJ a K aJ a K a??? ? ? ???； 該式稱為色散關系。式 ()的解是 () ime ???? ○ 2 ，它描述了光場在角向是如何變化的，由于角函數(shù)的周期性，即 ( ) ( 2 ),? ? ? ? ???m 必須是一個整數(shù)。 假設光纖長為 L ，當入射角 00i?? ，光線穿過光纖的最短時間為 mint ，從理論上可以給出min:t 1m in1nLLLt v c n c? ? ? () 當光線以臨界角入射穿過光纖時需要花費的時間最長，為 maxt 。 光在光纖中的傳播分析方法有幾何光學法和波導光學法。 本章主要介紹了光在光纖中的傳播，用幾何光學法和波動光學法對其進行分析。 在接入網(wǎng)領域，隨著寬帶接入用戶對視頻業(yè)務、 VOD、 IPTV 及互動游戲等極占帶寬的業(yè)務需求的不斷增長，對帶寬的需求也在呈現(xiàn) 出不斷增長的趨勢。從 實驗中得到包層折射率、波導折射率和波導長度及寬度對光場分布的影響。 —— 7 做一個關于 多模干涉耦合器的應用 的專題報告。 解決思路：熟悉多模干涉型光耦合器的定義及其特點，掌握其各種參數(shù)的 計算方法從而求出結構參數(shù)，用 OptiBPM 進行仿真設計。當今的光纖通信系統(tǒng)發(fā)展方向，使光學器件的開發(fā)面臨這種種問題與機遇，開發(fā)出性能不僅優(yōu)良，而且價格相當?shù)土墓鈱W器件使之大幅應用于光網(wǎng)絡通信系統(tǒng)中成為光纖通信系統(tǒng)發(fā)展最主要的問題。 —— 3 通過組內(nèi)討 論，理解多模干涉原理。 4 利用軟件建模。 論文作者簽名： 時間： 年 月 日 指導教師簽名： 時間： 年 月 日 西 安 郵 電 大 學 畢業(yè)設計 (論文 )任務書 學生姓名 熊杰 指導教師 時堅 職稱 講師 學 院 電子工程學院 系 部 光電子技術系 專 業(yè) 光信息科學與技術 題 目 多模干涉型光學耦合器的仿真設計 任務與要求 1 查閱相關資料，閱讀相關文 獻。 8 完成論文寫作并進行修改。 —— 10 完成論文寫作并進行修改 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實驗研究 萬助軍 吳亞明 光學學報 , 2020 2 多模干涉型集成光學器件研究進展 馬慧蓮 光電子 2． 本課題需要重點研究的關鍵問題、解決的思路及實現(xiàn)預期目標的可行性分析 關鍵問題： 。 —— 3 通過組內(nèi)討論，理解多模干涉原理 。而波分復用技術是解決光通信的容量和速率的最佳解決方案。多模干涉型光學耦合器相比于傳統(tǒng)耦合器具有結構緊湊，頻帶較寬以及對偏振不敏感的特性，已經(jīng)得到了越來越廣泛的應用。正是由于它的這種特性，從波分復用 （ WDM）系統(tǒng)到無源光網(wǎng)絡（ 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? ? () 當光線以臨界角入射時，入射角 i? 記為 ic? ，根據(jù)幾何關系， 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。另外還可以假設光波是簡諧振蕩波，對這一線性系統(tǒng)，一般可以用基于傅里葉變換的加權求和來處理，在這些假定下，準單色光場的電場滿足下面的波動方程： 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計 4 射率，它是角頻率的函數(shù)，即 ()nn?? 。39。對于沒有衰減的傳播， ?應為實數(shù)，為了簡單，假設光僅在一個方向傳輸，那么對于選定的方向， ? 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，有效折射率的值應該是介于 12,nn之間的； （ 4）如果給定一個 m 的值，將可以求的一系列的 ? 的值，用 n 標記，那么對于不同 m 和n 的值，將得到許多可能的傳播常數(shù) mn? ，因為 m 和 n 是整數(shù)，所以 mn? 是一系列離散的數(shù)值，每一個 mn? 將對應于一個傳播模式； （ 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 ? 時， ? 的解是唯一的，也就是說光纖里面只有一個模式的波傳播，當V 更大時，光纖中的模式數(shù)約為 2 2VN? 。 WDM 技術具有靈活方便的優(yōu)點，由于 WDM 系統(tǒng)各信道上傳輸?shù)男盘柨梢跃哂斜舜霜毩⒌谋忍芈屎腕w系。 MMI 器件通常應用在高折射率差材料構成的光路中，因為在強制條件下成像的質(zhì)量比較高。 分光比 分光比是光耦合器所特有的技術術語。隔離度高，線路之間的“串話”小，對于光耦合器來說，隔離度的意義是用于反映 WDM 器件對不同波長信號的分離能力，其表達式為： 多模干 涉型光耦合器的仿真設計 10 10 lg ( )iinpI dBp?? （ ） 其中 ip 表示某一光路輸出端測到的其他光路信號的功率值， inp 是被檢測光的輸入功率值。對于一般性干涉問題來說 , 對任一模次 v ，多模干 涉型光耦合器的仿真設計 11 場激勵系數(shù) C? 都不為 0 。 而對于成對干涉的多模干涉耦合器 ， 當模次 2,5,8.....v? 時 ， 場激勵系數(shù) 0C?? 必須將輸入波導關于 6yw?? 或 6yw??? 對稱設置，其中 w? 為多模波導有效寬度。 當 模次 為 1,3,5... 的模式關于多模波導中線奇對稱 ， 對稱的輸入 場和反對稱的模場積分為 0, 場激勵系數(shù)為 0 。 5 波導器件傳光的基本原理 平板光導波傳光原理 平板光波導的結構及簡單傳輸原理 平板光波導是一種非常重要的波導，它是集成光學器件的基礎，其最簡單的結構是：由 3 層構成，中間是一層折射率為 1n 的波導薄膜層，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里面?zhèn)鞑?，應該滿足 1 2 3,n n n?? 對于 23nn? 的波導，通常稱為對稱平面波導；對于 23nn? 的波導，通常稱為非對稱平面波導。因此，在波導內(nèi)傳播的平面波要形成穩(wěn)定的場分布，也就是說要形成一定的傳播模式，必須滿足波在波導兩分界面之間來回傳播一次產(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計 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產(chǎn)生的相位變化。 對于二維平面波導，凡是滿足全反射條件入射而保持在波導里傳輸?shù)墓?，我們都將其視為波導的一個傳輸模式，而且在一 定的波長下，隨著波導厚度的增加所允許傳輸?shù)膶?shù)量也增加。對于給定波長的光波來說，波導的厚度與寬度以 及它周圍介質(zhì)折射率差大小決定波導傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)。我們把這一現(xiàn)象稱為光學定向耦合，由此構成的光波導器件稱為光學定向耦合光開關，也叫定向耦合器，為了產(chǎn)生同步輻射耦合，光波導在各個波導內(nèi)傳播的相速度即傳播常數(shù) ? 應相同。（宋豐華 現(xiàn)代光電器件技術及應用 北京 國防工業(yè)出版社 ， 123~124） 、 MMI 光開關 光開關無論在空分、時分還是波分復用系統(tǒng)中都是全光通信系統(tǒng)中的一種重要的器件。 N 條輸入波導可以任意的選擇輸入光的光場，輸入光的光場在經(jīng)過第一個多模波導后會進行光功率的平均分配，輸入光場在到達第二個多模波導時的相位則是用相移器來控制，再次進行多模干涉，所需要的成像最終就會從輸出波導中的某個輸出，這樣就會達到對輸出光的控制。如圖 所示，以 m/ m 2 波長分復用器為例， m 和 m 兩個不同的光從同一單模輸入波導入射，經(jīng)多模波導后，兩波長在不同單模波導輸出，即可實現(xiàn)兩波長 的分離?；趶娤拗频?MMI有帶寬小和性能參數(shù)對寬度依賴強兩個缺點。 多模波導 多模干 涉型光耦合器的仿真設計 19 7 仿真及其分析 當我們將 guide 的折射率設置為 ， cladding 的折射率設置為 ， 2D 材料定義為： guide，波導寬度設置為 ，在 z 軸上的偏移量設置為 5300，寬波導的寬度設置為60，我們將得到圖 1 圖 1 簡單 MMI 耦合器光場干涉圖 這是創(chuàng)建的一個簡單的 MMI 型耦合器，用軟件 OptiBPM 軟件模擬后光場的 2D 分布圖像，從圖像中可以看出，圖中。帶寬對于應用于光網(wǎng)絡的光器件來說是一個相當重要的指標。 1480nm/1550nm和 980nm/1550nm應用于 C波段光纖放大器，1480nm/1590nm和 980nm/1590nm應用于 L波段光纖放大器。 1 1 2 2 . 移相器 . N N 圖 MMIMZI 光開關示意圖 一類結構則是為了使多模波導同時具備移相的功能，在多 模干涉型耦合器的波導側壁附加上輸入電極，如圖 所示。為了實現(xiàn)多址傳送，這就要求眾多的光開關單元按照樹枝狀網(wǎng)絡級聯(lián)組成大規(guī)模的光開關矩陣。當條形波導加入電壓后，由于電光效應引起波導區(qū) ? 的改變，一段式 ? 電極定向耦合存在下列關系，其交叉狀態(tài)為： 0 12?? ??? ?cLL （ ） 式中 v 為整數(shù)， 0L 稱為耦合長度?？梢韵胂笠粋€光波導耦合模型：折射率為 1n 和 2n的兩個條形波導并列于折射率為 3n 的稱底中，下面我們將從 這個模型進行討論。 在二維波導內(nèi)傳輸?shù)墓馔ǔ４嬖趦煞N偏振模式。該方程求解困難，但是對于一定的 0 1 2,n n n 和 m 可以從 ? 的值計算出薄膜厚度 h ，這樣 h 和 ? 就建立起了一一對應的關系。 平面波導中模的基本概念 假設波導是二維均勻波導，且各層材料是各向同性的，入射光是平面波，假設13 12,pp??分別是波導和覆蓋層以及波導和襯底層兩個界面的全反射臨界角。 長度為 34L? 奇數(shù)倍的多模波導終端得到反演像和輸入場 ( ,0)y? 關于多模波導中線成軸對稱 ；在 長度為 34L? 偶數(shù)倍的多模波導的終端得到輸入場的正像。 這樣就 會使得對稱的輸入場和反對稱的模場積分為 0, 使場激勵系數(shù)為 0 ；在長度為 L? 整數(shù)倍的多模波導的終端 ， 得到的是輸入光場 的單個像。 根據(jù)上述方法，便可推導多模波導任一截面橫向場分布。 根據(jù)導模分析法，光場在多模波導任一截面的分布可以寫成所 有導模的線性疊加，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（ ）可寫為： 100( , ) ( ) e x p [ ( ) ]mvvy z C y j z??????? ? ? ?? （ ） 在多模波導區(qū) ， 不同模式光由于其