【正文】 制作時(shí)對(duì)多模波導(dǎo)的寬度要精確控制。對(duì)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(shí)現(xiàn)，不同長度的移相器，則會(huì)在不同的 波導(dǎo)輸出。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)。對(duì)于一定波長的光來說，當(dāng)非對(duì)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(duì)于給定的波導(dǎo)厚度，當(dāng)波長增加到一定長度時(shí)，光波將不能在波導(dǎo)里傳播，我們稱這時(shí)的波長為導(dǎo)模的截止波長，這是非對(duì)稱平面光波所特有的性能。 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(shí)，存在一個(gè)產(chǎn)生全反射的臨界角，當(dāng)光線入射角小于臨界角時(shí) ，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(shí)才可能在界面上產(chǎn)生全反射。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(duì)稱。【 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(shí)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(gè)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(lì)系數(shù)， ( ,0)y? 表示 0z? 處光場的橫向分布。 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(shí)傳輸多個(gè)模式（一般大于 3個(gè)）的多模波導(dǎo)。 多模干 涉型光耦合器的仿真設(shè)計(jì) 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(shí)傳輸多個(gè)不同波長的光載波的特點(diǎn)，把光纖可能應(yīng)用的波長范圍劃分為若干個(gè)波段，每個(gè)波段用作一個(gè)獨(dú)立的通道傳輸一種預(yù)定波長的光信號(hào)。 是拉普拉斯算 子，由于光纖的圓柱對(duì)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(shí)（ ）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(gè)偏微分方程，包括三個(gè)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(gè)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)。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)。 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。 —— 4 利用軟件建模。 激光 , 2020 3 基于多模干涉耦合器的陣列波導(dǎo)光柵設(shè)計(jì)研究 黃耐容， 王謙 光子學(xué)報(bào) , 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(bào) , 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(jì)算機(jī) 論文 (設(shè)計(jì) )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(duì)計(jì)劃的說明： 本人將嚴(yán)格按照上訴計(jì)劃執(zhí)行，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定的工作。 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。 —— 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 如何對(duì)多模干涉型光耦合器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。 本文首先用幾何光學(xué)法和波動(dòng)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(duì)簡單的 MMI 型耦合器的仿真，對(duì)其中光場的分布進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和討論。 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(diǎn)。這就是幾何光學(xué)關(guān)于光線在光纖中傳輸?shù)幕驹?，由于光纖很長，光在傳播中會(huì)發(fā)生很多次的多模干 涉型光耦合器的仿真設(shè)計(jì) 3 全反射，為了保證衰減，我們需要百分之百的全反射，因?yàn)槊看畏瓷渲械囊恍↑c(diǎn)衰減在多次反射后將導(dǎo)致巨大的衰減。39。由于不同波長的光載波信號(hào)可以看做相互獨(dú)立，從而在一根光纖中可實(shí)現(xiàn)多路光信號(hào)的傳輸復(fù)用。 均勻性 對(duì)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)。 根據(jù)上述方法，便可推導(dǎo)多模波導(dǎo)任一截面橫向場分布。 長度為 34L? 奇數(shù)倍的多模波導(dǎo)終端得到反演像和輸入場 ( ,0)y? 關(guān)于多模波導(dǎo)中線成軸對(duì)稱 ；在 長度為 34L? 偶數(shù)倍的多模波導(dǎo)的終端得到輸入場的正像。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。可以想象一個(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 的稱底中，下面我們將從 這個(gè)模型進(jìn)行討論。為了實(shí)現(xiàn)多址傳送，這就要求眾多的光開關(guān)單元按照樹枝狀網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)組成大規(guī)模的光開關(guān)矩陣。 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。 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 簡單 MMI 耦合器光場干涉圖 這是創(chuàng)建的一個(gè)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。如圖 所示，以 m/ m 2 波長分復(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，兩波長在不同單模波導(dǎo)輸出，即可實(shí)現(xiàn)兩波長 的分離。（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 ， 123~124） 、 MMI 光開關(guān) 光開關(guān)無論在空分、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。對(duì)于給定波長的光波來說，波導(dǎo)的厚度與寬度以 及它周圍介質(zhì)折射率差大小決定波導(dǎo)傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)。因此，在波導(dǎo)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(dǎo)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(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。 當(dāng) 模次 為 1,3,5... 的模式關(guān)于多模波導(dǎo)中線奇對(duì)稱 ， 對(duì)稱的輸入 場和反對(duì)稱的模場積分為 0, 場激勵(lì)系數(shù)為 0 。對(duì)于一般性干涉問題來說 , 對(duì)任一模次 v ，多模干 涉型光耦合器的仿真設(shè)計(jì) 11 場激勵(lì)系數(shù) C? 都不為 0 。 分光比 分光比是光耦合器所特有的技術(shù)術(shù)語。 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。39。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。正是由于它的這種特性，從波分復(fù)用 （ WDM）系統(tǒng)到無源光網(wǎng)絡(luò)（ PON）系統(tǒng)，光耦合器具有不可替代的地位。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。 2． 本課題需要重點(diǎn)研究的關(guān)鍵問題、解決的思路及實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)的可行性分析 關(guān)鍵問題： 。 8 完成論文寫作并進(jìn)行修改。 4 利用軟件建模。當(dāng)今的光纖通信系統(tǒng)發(fā)展方向，使光學(xué)器件的開發(fā)面臨這種種問題與機(jī)遇，開發(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)展最主要的問題。 —— 7 做一個(gè)關(guān)于 多模干涉耦合器的應(yīng)用 的專題報(bào)告。 在接入網(wǎng)領(lǐng)域，隨著寬帶接入用戶對(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，對(duì)帶寬的需求也在呈現(xiàn) 出不斷增長的趨勢。 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。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(gè)整數(shù)。 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。具有這種結(jié)構(gòu)的耦合器件稱為 NM? 多模干涉耦合器。正是由于這種不同模式間的相位的相對(duì)移動(dòng) 引起 多模波導(dǎo)不同位置處光場橫向分布和多模波導(dǎo)起始端 ( 0z? 處 ) 的光場橫向分布發(fā)生變化。其中 , 當(dāng)長度為 L? 奇數(shù)倍時(shí) ， 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(duì)稱的反演像 ；當(dāng) 長度為 L?偶數(shù)倍時(shí)， 多模波導(dǎo)終端得到輸入場的正像。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(gè)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)?，即光受到波?dǎo)薄膜的引導(dǎo)而傳播。一種稱為 TE 模，它只有一個(gè)沿 y 方多模干 涉型光耦合器的仿真設(shè)計(jì) 15 向的電場分量；另一種稱 為 TM 模，它只有一個(gè)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)。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(shí)，定向耦合處于交叉狀態(tài)。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。 ，分析了搶險(xiǎn)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(shí)很難得到令人滿意的帶寬。 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(duì)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。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(gè) N N MMI 型耦合器組成，用來連接前后兩段多模波導(dǎo)的 N