【正文】 條波導(dǎo)臂移相器則是中間的陰影部分。 定向耦合光開關(guān) 當兩條結(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。 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。 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 ， 但要達到這種結(jié)構(gòu)緊湊的要求需 要嚴格的輸入波導(dǎo)設(shè)置。其中 ,PN為互質(zhì)的自然數(shù)。 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。 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。 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)。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? 。 。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。 —— 2 了解多模干涉型光學(xué)耦合器的應(yīng)用，目前的發(fā)展。 —— 8 討論光波在耦合器中光能量的傳輸 —— 9 完成一篇英文論文的翻譯。 本人完全清楚本聲明的法律后 果，申請學(xué)位論文和資料若有不實之處，本人愿承擔相應(yīng)的法律責(zé)任。 —— 4 利用軟件建模。 預(yù)期目標： 完成課題分以下幾個主要階段性目標。從而根據(jù)參數(shù)的選擇來設(shè)計出適合各種場合的多模干涉型器件。 本章主要介紹了波分復(fù)用傳輸 技術(shù)，從其概念、優(yōu)點和原理對其有一個簡單的認識。在這種情況下，光線在光纖中的傳播距離為 max:L 1m a x2 21sin c nLLLL n nn?? ? ? () 因此，最大的傳播時間為： 2m a x 1 2 1m a x 12L n L n n Lt v c n n c? ? ? () 上訴兩種光線傳播的時間差為 )1( 211m inm a x ????? nncLnttt () 值得注意的是，傳播時間差從根本上限制了傳送信息的最大帶寬。將 2 2 2 210 。根據(jù)波分復(fù)用器的不同，可以復(fù)用的波長數(shù)從 2 個至數(shù)百個不等。其數(shù)學(xué)表達式為： ()1 0 lg ( )()outinM IN pU F d BM A X p?? （ ） 偏振相關(guān)損耗 偏振相關(guān)損耗是衡量器件性能對于傳輸信號的偏振態(tài)敏感程度的參量，俗稱偏 振靈敏度。長度為 32L? 奇數(shù)倍的多模波導(dǎo)終端，得 到的像為輸入場的兩重像。這兩個像的分布關(guān)于多模波導(dǎo)中線對稱，相位相差為 2? ，在長度上等于 34PL N? 處得到 N重像， 其中 ,PN為互質(zhì)的自然數(shù)。這說明對于一個給定的模式，只有一個確定的入射方向。但實際上，當兩波導(dǎo)相互靠近時，因為兩個波導(dǎo)彼此處于對方的光波區(qū)，所以波導(dǎo)間將發(fā)生功率的交換，則（ ）將變?yōu)椋? 1 1 1 1 2 22 2 2 2 1 1dE dz i E C EdE dz i E C E???? （ ） 式中， 001 1 1 1 2 2 2 2,cc? ? ? ?? ? ? ? （ ） 01? 和 02? 分別為波導(dǎo) 1和波導(dǎo) 2 獨立存在時的傳播常數(shù)； 11c 和 22c 分別為引入臨近波導(dǎo)時波導(dǎo) 1和波導(dǎo) 2 的傳播常數(shù)的改變量； 11C 和 22C 稱為互藕系數(shù)，體現(xiàn)出兩波導(dǎo)間的能量交換。多模干涉耦合器的眾多優(yōu)點便能滿足這個需求。在密集波分復(fù)用基礎(chǔ)上組建全光網(wǎng)是未來信息技術(shù)發(fā)展的必然。 目前 MMI的多模波導(dǎo)區(qū)只在一個方向上（一般是平行于襯底）支持多模，而在另一個方向（垂直于襯底方向）只允許單模傳輸，只有一維自映像效應(yīng)。 1 1 1 2 2 2 N N N 圖 電極控制 MMI 光開關(guān)示意圖 MMI 型 2 波長波分復(fù)用器 由成對干涉原理可得：當多模波導(dǎo)長度為 L π 的奇數(shù)倍時， 輸入場相對于多模波導(dǎo)中線呈軸對稱的一個反演像 ， 當多模波導(dǎo)長度為 L π 偶數(shù)倍時 ， 多 模波導(dǎo)終端得到與輸入場完全相同的一個正像 。當兩波導(dǎo)的耦合區(qū)長度 L 等于耦合長度 0L 時，光功率可從一條波導(dǎo)耦合向另一條波導(dǎo)，可見，只要選取適當?shù)?L 大小即可獲得任意比例的功率分配。當波導(dǎo)內(nèi)只允許有基模傳輸時，我們把這一波導(dǎo)稱為單模波導(dǎo)。這就是說在波導(dǎo)內(nèi)每來回一次全反射，都可以再波導(dǎo)的橫向上形成一個駐波。 在對稱干涉多模干涉耦合 器中 ，當 模次 1,3,5....?? 時，場激勵系數(shù) 0C?? 。一般性干涉耦合器的基本原理是基于一般性干涉原理，基于限制性干涉原理 的則是 限制性干涉耦合器。 附加損耗 附加損耗定義為 所有輸出端口的光功率總和相對于全部輸入光功率的減小值，其單位為分貝 ( ),dB 表示為： 1 0 lg ( )outinpE L dBp?? ? （ ） 需要注意的是，對于光耦合器而言，附加損耗反應(yīng)的是器件設(shè)計及制作過程中所產(chǎn)生的多模干 涉型光耦合器的仿真設(shè)計 9 固有損耗，而插入損耗則表示各個輸出端口輸 出功率的情況，不僅有固有損耗的因素，還應(yīng)該考慮分光比的影響。 WDM 系統(tǒng)中的光纖放大器直接將輸入的光信號進行放大，無 需實現(xiàn)光 電 光的轉(zhuǎn)換，減少了光傳輸系統(tǒng)中的器件，在一根單模光纖上傳輸N 波分復(fù)用的光信號時， WDM 的所有波長的光信號一起得到放大，在每一個中繼器處都可將放大器的數(shù)目減少到非 WDM 系統(tǒng)的 N 分之一。z a z aEE???? ????? 多模干 涉型光耦合器的仿真設(shè)計 6 ( ) ( )||zzaaEE???? ??????????? （ ） 將（ ）代入（ ），可得： ( ) ( ) 。纖心和包層的折射率分別是 1n 和 2n ，空氣的折射率為 0n 為了使光線在光纖中傳播，纖心的折射率必須比包層的折射率大，這樣才會產(chǎn)生內(nèi)全反射。 隨著光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展，光器件的需求無疑也是巨大的，對其發(fā)展也是一種機遇和挑戰(zhàn)，如何開發(fā)出性能優(yōu)良、價格低廉的光器件已成為我們所需要解決的首要問題。 —— 10 完成論文寫作并進行修改。 本課題只研究多模干涉型光耦合器，通過對多磨干涉光耦合器的就夠參數(shù)的選擇，用 OptiBMP 設(shè)計出合理的耦合器，并通過比較不同參數(shù)時耦合器的性能而選擇出性能最優(yōu)的多模型光耦合器的參數(shù)。 6 對結(jié)果進行整理，討論光波在耦合器中光能量的傳輸及 多模干涉耦合器的應(yīng)用 。 5 對系統(tǒng)進行軟件仿真，對結(jié)果進行分析。多模干涉（ MMI） 光耦合器作為波導(dǎo)性光耦合器的一種，由于具有插入損耗較低，其結(jié)構(gòu)緊湊、制作工藝簡單、頻帶較寬、對偏振不敏感以及容差性好等特點，已經(jīng)開始越來越多的應(yīng)用于光纖通信系統(tǒng)中 。 —— 9 完成一篇英文論文的翻譯。因此對以無源光網(wǎng)絡(luò) （ PON） 等技術(shù)為支持FTTH 等光線接入技術(shù)的需求無疑是一種機遇和挑戰(zhàn)。光纖的結(jié)構(gòu)包括 3 層：纖心、包層以及最外面起保護作用的涂覆層。當 0?? 時， ( ) ,mY ?? ?? 但是光不能無窮大， B 必須為 0 ，同樣 D 必須為 0 ，這樣 ()F? 就可簡化為： ( ) ,()( ) ,mmA J aFC K a? ? ???? ????? ???? () 把式（ ○ 1 ）（即式 ()的解）、（ ○ 2 ）（ ()的解）、（ ）代入（ ）式，可以得到光場 zE 的最終解為： ( , , , ) ( ) ,im i z i tzmE z t A J e e e a? ? ?? ? ?? ??? 或 ( , , , ) ( ) ,im i z i tE z t C K e e e a? ? ?? ? ?? ??? () 然后通過麥克斯韋方程可求的 , , , ,zH E E H H? ? ? ?利用纖心和包層表面的邊界條件可以求的常數(shù) ? 和 ? ，此邊界條件在數(shù)學(xué)上可表示為： ( ) | ( ) | 。 。 插入損耗 對 于耦合器來說，插入損耗定義為指定輸出端口的光功率相對全部全部輸出光功率的減少值，該值通常用分貝（ dB）來表示： 1 0 lg ( )ovni inpLL dBp?? （ ） 其中 iLL 是第 i 個輸出波導(dǎo)的輸出損耗， ownp 是第 i 個輸出波導(dǎo)測得的光功率， inp 是由輸入波導(dǎo)輸入的光功率。 多模干涉耦合器可以分為一般性干涉耦合器和限制性干涉耦合器。以上討論中 ,PN為互質(zhì)的自然數(shù)。既然在波導(dǎo)內(nèi)存在兩個方向相反的平面波，那么，由波動光學(xué)可知 ，它們將形成駐波。 0m? 的導(dǎo)模稱為基模。 一個確定長度的定向耦合器，其最關(guān)鍵的參數(shù)時耦合長度 0L ，它由描述兩波導(dǎo)耦合強弱的耦合系數(shù)決定。所以，給定電極是否作用的兩種狀態(tài)下，研究作用電極的作用位置以及輸入光光場和輸出光光場在多模波導(dǎo)內(nèi)的分布情況，就可以得出電極作用時所需光場分布的改變情況，便可通過對電極參數(shù)的調(diào)整來滿足這種需要，設(shè)計出滿足特定要求的 MMI 光開關(guān)器件。但弱限制 MMI器件輸出波導(dǎo)的間距比較小，對 于輸出波導(dǎo)如何引出的問題和輸出波導(dǎo)間的相互耦合特性還需進一步研究。在波分復(fù)用系統(tǒng)中，最關(guān)鍵的器件是波長復(fù)用器和解復(fù)用器，其性能的好壞直接影響光波分復(fù)用系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量。 MMI 型結(jié)構(gòu)的光開關(guān)有以下兩種控制方式，第一種控制方式則是改變多模波導(dǎo)整體參數(shù)，通用的方法是利用電極，兩個具有不同折射率或者分布結(jié)構(gòu)參數(shù)的多模波導(dǎo)結(jié)構(gòu)在電極的作用下進行切換，從而得到電極作用或電極不作用時兩種不同的輸出效果；第二種為相位控制，就是對光場相位的分布進行調(diào)節(jié)來控制輸出光場。方程（ ）稱為耦合模方程，是研究和討論耦合效應(yīng)的基礎(chǔ)。即波導(dǎo)對入射角是具有選擇性的，而 m 只能取有限個正整數(shù)，所以平板波導(dǎo)所能維持的波導(dǎo)數(shù)量也是有限的； （ 2） 對于一定的模式，存在一個最小膜厚度（稱為截止膜厚）。 根據(jù)導(dǎo)模傳輸分析法便可以得到的基于 3種不同干涉原理的多模干涉耦合器中出現(xiàn)單像和多像縱向位置和橫向位置。這兩個像關(guān)于多模波導(dǎo)的中線對稱分布 ， 相位相差 2? 。它是指當輸入光偏振太發(fā)生 3600變化時，器件各輸出端口輸出光功率的最大變化量： 1 0 lg ( )o u tjjo u tjM IN pP D L d BM A X p?? （ ） 在實際應(yīng)用中，光信號偏振態(tài)的變化是經(jīng)常發(fā)生的。WDM 本質(zhì)上是光域上的頻分復(fù)用（ FDM）技術(shù)，每個波長通路通過頻域的分割來實現(xiàn)，每個波長通路占用一段光纖的帶寬。nk????2 2 2 220nk???? 代入上式得： 2 2 2 2 2 21 0 2 02 2 2 39。為了避免不同傳播時間的信息相互混淆，最大帶寬 B 為 )1(11211 ?