【正文】 傳播速度不同 , 會 存在傳播常數(shù)差 , 易知當(dāng) z 不等于 0 時 ， 不同模式光的相位會發(fā)生相對移動 ， 隨之會使各個模式間的相位關(guān)系與入射時光場發(fā)生變化。 均勻性 對于要求均勻分光的耦合器（例如 1:1 耦合器），均勻性就是用來衡量均勻器件“不均勻程度”的參數(shù)。為了使光能夠輸入以及輸出多模波導(dǎo)，還必須有一些輸入輸出波導(dǎo)（一般為單模波導(dǎo)）放置在多模波導(dǎo)的起始端和終止端。由于不同波長的光載波信號可以看做相互獨立，從而在一根光纖中可實現(xiàn)多路光信號的傳輸復(fù)用。通常將波分復(fù)用簡寫為 WDM，光波分復(fù)用的實質(zhì)是在光纖上進(jìn)行光頻分復(fù)用。39。式 ()的解是 () izZ z e?? ○ 1 ，它描述了光波是如何在 z 軸方向傳播的， ? 一般稱為傳播常數(shù)。這就是幾何光學(xué)關(guān)于光線在光纖中傳輸?shù)幕驹恚捎诠饫w很長，光在傳播中會發(fā)生很多次的多模干 涉型光耦合器的仿真設(shè)計 3 全反射，為了保證衰減，我們需要百分之百的全反射，因為每次反射中的一小點衰減在多次反射后將導(dǎo)致巨大的衰減。隨著傳輸帶寬用量需求的巨大增長，尤其是因特網(wǎng)上傳輸數(shù)據(jù)的快速增長，人們對傳輸帶寬有著巨大的需求，而光纖通信具有海量帶寬、低損耗、輕便緊湊、安全性高的獨一無二的特點，所以光纖通信是滿足這種帶寬需求的最佳方案。 引言：主要介紹了課題研究的相關(guān)背景、目的、意義以及簡單的介紹了多模干涉型光耦合器的優(yōu)點。在長距離的光信號傳輸中，世界范圍內(nèi)出現(xiàn)了干線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的熱潮，傳輸帶寬和容量都在快速的發(fā)展。 本文首先用幾何光學(xué)法和波動光學(xué)法介紹了光在光纖中的傳播，然后簡單闡述了光的波分復(fù)用技術(shù)，然后討論了多模干涉的原理，再進(jìn)一步的討論了波導(dǎo)器件傳光的基本原理，最后通過對簡單的 MMI 型耦合器的仿真，對其中光場的分布進(jìn)行了實驗和討論。 — — 5 選取耦合器參數(shù)，設(shè)計多模干涉型光學(xué)耦合器 —— 6 對結(jié)果進(jìn)行分析。 3 如何對多模干涉型光耦合器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。 指導(dǎo)教師簽字： 2020 年 3 月 日 西安郵電 大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 (論文 )開題報告 課題名稱： 多模干涉型光學(xué)耦合器的仿真設(shè)計 電子工程 學(xué)院 光電子技術(shù)系 系（部） 光信息科學(xué)與技術(shù) 專業(yè) 0801 班 學(xué)生姓名 ： 熊杰 學(xué)號 ： 05083020 指導(dǎo)教師 ： 時堅 報告日期 ： 2020 年 3 月 日 1． 本課題所涉及的問題及應(yīng)用現(xiàn)狀綜述 近幾十年來，隨著 IP 業(yè)務(wù)的的迅猛發(fā)展，電信領(lǐng) 域各種寬帶業(yè)務(wù)迅速更新，人們期待能在電信網(wǎng)上實現(xiàn)更高質(zhì)量保證的寬帶業(yè)務(wù)，光網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)被公為是理想的解決方案。 —— 2 了解多模干涉型光學(xué)耦合器的應(yīng)用，目前的發(fā)展。 3 通過組內(nèi)討論，理解多模干涉原理。 2 整理文獻(xiàn)，了解多模干涉型光學(xué)耦合器的應(yīng)用，目前的發(fā)展。 開始日期 2020 年 2 月 27 日 完成日期 2020 年 6 月 10 日 主管院長 (簽字 ) 2020 年 3 月 1 日 西 安 郵 電 大 學(xué) 畢 業(yè) 設(shè) 計 (論文 ) 工 作 計 劃 學(xué)生姓名 ： _ 熊杰 _指導(dǎo)教師 ： _ 時堅 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 工作進(jìn)程 起止時間 工 作 內(nèi) 容 —— 1 查閱相關(guān)資料，閱讀相關(guān)文獻(xiàn)。 激光 , 2020 3 基于多模干涉耦合器的陣列波導(dǎo)光柵設(shè)計研究 黃耐容， 王謙 光子學(xué)報 , 2020 4 多功能 2 2GaAs/GaAlAs 多模干涉型光開關(guān)分析 蔡純， 張夕飛， 朱建彬， 張明德， 肖金標(biāo) 電子學(xué)報 , 2020 5《物理光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)》石順祥 西安電子科技大學(xué)出版社 6《光纖通信》 Gerd keiser 電子工業(yè)出版社 主要儀器設(shè)備及材料： 計算機(jī) 論文 (設(shè)計 )過程中教師的指導(dǎo)安排： 每周 周一上午 3— 4 節(jié) 周四下午 1— 2 節(jié) 對計劃的說明： 本人將嚴(yán)格按照上訴計劃執(zhí)行，在規(guī)定時間內(nèi)完成規(guī)定的工作。 。 —— 4 利用軟件建模。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。 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。 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。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)。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。 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)。( ) ( )mmA J a C K a? ? ? ?? ? ? ? ? 將這兩式相除，得： 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。 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)。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。【 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。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? 。在6yw??? 處，模次 v 為 2,5,8..... 的模次光場的場強(qiáng)為 0, 且關(guān)與 6yw??? 奇對稱。 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 。 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。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)。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。（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。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)。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。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。 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。制作時對多模波導(dǎo)的寬度要精確