【文章內(nèi)容簡介】 為： （）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。它是指當(dāng)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： （）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。因此往往要求器件有足夠小的偏振相關(guān)損耗，否則將影響器件的使用效果。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。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(dá)式為： （）其中表示某一光路輸出端測到的其他光路信號的功率值，是被檢測光的輸入功率值?！?】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，輸入場可以寫成個導(dǎo)模的線性疊加： （）其中是次模的光場，是激勵系數(shù)，表示處光場的橫向分布。根據(jù)導(dǎo)模分析法，光場在多模波導(dǎo)任一截面的分布可以寫成所有導(dǎo)模的線性疊加，表示為： （）將（）提出公因式，其模恒等于1，則（）可寫為： （）在多模波導(dǎo)區(qū)，不同模式光由于其傳播速度不同, 會存在傳播常數(shù)差, 易知當(dāng)不等于時，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。正是由于這種不同模式間的相位的相對移動引起多模波導(dǎo)不同位置處光場橫向分布和多模波導(dǎo)起始端(處) 的光場橫向分布發(fā)生變化。令，其中分別是次模和次模的傳播常數(shù)，（）可改寫為： （）依據(jù)上式可得到多模波導(dǎo)任一截面的橫向場分布。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。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。限制性干涉又可分為成對干涉和對稱干涉。對于一般性干涉問題來說, 對任一模次，場激勵系數(shù)都不為。而對與成對干涉，模次時，場激勵系數(shù)；對稱干涉中，模次時，場激勵系數(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。對于一般性干涉多模干涉耦合器在長度為整數(shù)倍的多模波導(dǎo)的終端，可得到輸入場的單個像，在這些像中，長度為奇數(shù)倍多模波導(dǎo)終端，得到的是和輸入場關(guān)于多模波導(dǎo)中線成軸對稱的反演像；在長度為偶數(shù)倍多模終端，得到的是輸入場的正像（再現(xiàn)）。長度為奇數(shù)倍的多模波導(dǎo)終端，得到的像為輸入場的兩重像。這兩個像關(guān)于多模波導(dǎo)的中線對稱分布，相位相差。重像長度為處得到。其中為互質(zhì)的自然數(shù)。而對于成對干涉的多模干涉耦合器，當(dāng)模次時， 場激勵系數(shù)必須將輸入波導(dǎo)關(guān)于或?qū)ΨQ設(shè)置，其中為多模波導(dǎo)有效寬度。在處，模次為的模次光場的場強(qiáng)為且關(guān)與奇對稱。這樣就會使得對稱的輸入場和反對稱的模場積分為使場激勵系數(shù)為；在長度為整數(shù)倍的多模波導(dǎo)的終端，得到的是輸入光場的單個像。其中, 當(dāng)長度為奇數(shù)倍時， 多模波導(dǎo)終端得到的是和輸入場關(guān)于多模波導(dǎo)中線成軸對稱的反演像；當(dāng)長度為偶數(shù)倍時，多模波導(dǎo)終端得到輸入場的正像。在長度為奇數(shù)倍的多模波導(dǎo)終端，得到的是輸入光場的兩重像，并且兩重像的分布關(guān)于多模波導(dǎo)的中線對稱，相位差為，在長度上等于處得到重像。以上討論中為互質(zhì)的自然數(shù)。在對稱干涉多模干涉耦合器中，當(dāng)模次時，場激勵系數(shù)。為實現(xiàn)這一要求，輸入波導(dǎo)必須設(shè)置為關(guān)于多模波導(dǎo)中線對稱。當(dāng)模次為的模式關(guān)于多模波導(dǎo)中線奇對稱，對稱的輸入場和反對稱的模場積分為場激勵系數(shù)為。在長度為的整數(shù)倍的多模波導(dǎo)終端，得到的是輸入場的單個像。長度為奇數(shù)倍的多模波導(dǎo)終端得到反演像和輸入場關(guān)于多模波導(dǎo)中線成軸對稱；在長度為偶數(shù)倍的多模波導(dǎo)的終端得到輸入場的正像。在長度為奇數(shù)倍的多模波導(dǎo)終端，得到輸入場的兩重像。這兩個像的分布關(guān)于多模波導(dǎo)中線對稱，相位相差為，在長度上等于處得到N重像，其中為互質(zhì)的自然數(shù)。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。由這些縱向位置便可確定不同功能多模干涉耦合器的長度，由橫向位置便可得到如何設(shè)置多模干涉耦合器輸出波導(dǎo)?！”容^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(dá)到這種結(jié)構(gòu)緊湊的要求需要嚴(yán)格的輸入波導(dǎo)設(shè)置。5 波導(dǎo)器件傳光的基本原理平板光波導(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)，其最簡單的結(jié)構(gòu)是：由3層構(gòu)成，中間是一層折射率為的波導(dǎo)薄膜層，它覆蓋在折射率為的襯底上，在它的上面是折射率為的包層（也叫覆蓋層）包層通常為空氣為了將光束約束在波導(dǎo)里面?zhèn)鞑?，?yīng)該滿足對于的波導(dǎo)，通常稱為對稱平面波導(dǎo)；對于的波導(dǎo)，通常稱為非對稱平面波導(dǎo)。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。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)分別是波導(dǎo)和覆蓋層以及波導(dǎo)和襯底層兩個界面的全反射臨界角。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，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)光線的入射角滿足這樣在上下兩個臨界面上均發(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。光在平板波導(dǎo)中傳輸?shù)膱D像是光線在薄膜襯底界面上和薄膜覆蓋層界面 空氣 薄 膜 襯底上發(fā)生全反射而在薄膜中沿字形路徑傳播的圖像，假設(shè)在波導(dǎo)中光是沿軸方向傳播而在軸方向是受限的，至于在垂直于平面的方向上，由于波的尺寸比較大，所以理論上認(rèn)為平板波導(dǎo)的幾何結(jié)構(gòu)和折射率分布沿該方向是不變的，也可以進(jìn)一步認(rèn)為光場沿該方向是不變的，于是可以看出，波導(dǎo)內(nèi)沿方向，以字形路徑傳播的光線實際上是兩個重疊的均勻平面波的圖像，一個是斜向上傳播，另一個是斜向下傳播的，其波陣面的發(fā)現(xiàn)即是圖中的字形光線，假設(shè)這兩個平面波是單色的，其自由空間中的波長為，則他們在自由空間中的波數(shù)為在薄膜中的波數(shù)為而波矢正在方向和方向上的分量分別由和給出，因此薄膜中的波動場按以下方式變化： （）其中前的正負(fù)號分別對應(yīng)于斜向上和斜向下傳播的平面波。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。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。并且，如果波在兩分界面之間來回傳播一次產(chǎn)生的相位變化正好是的整數(shù)倍時，則多次來回來回傳播所形成的多個駐波都可以用同一個駐波方程來描述，這樣的駐波場是穩(wěn)定的。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)生的相位變化等于的整數(shù)倍，可以表示為： （）式中，是薄膜內(nèi)的入射角；是薄膜厚度；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。以波（在波導(dǎo)理論中通常稱為波）為例，由式（）決定： （） （）方程（）稱為平板導(dǎo)波的模式本征方程，稱為模序數(shù)，它是從零開始的有限個正整數(shù)。該方程求解困難，但是對于一定的和可以從的值計算出薄膜厚度，這樣和就建立起了一一對應(yīng)的關(guān)系。在導(dǎo)波光學(xué)中，通常稱為等效折射率，則 （）（1）當(dāng)膜厚度一定時，對于給定的，只有一個確定的與之對應(yīng)，因此也只有一個確定的比值與其對應(yīng)。這說明對于一個給定的模式，只有一個確定的入射方向。即波導(dǎo)對入射角是具有選擇性的，而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）。這時等于，入射角等于在下表面上的臨界角；（3）膜越厚，存在的模式數(shù)越多。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。對于二維平面波導(dǎo)，凡是滿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)的一個傳輸模式，而且在一定的波長下，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。在二維波導(dǎo)內(nèi)傳輸?shù)墓馔ǔ４嬖趦煞N偏振模式。一種稱為模，它只有一個沿方向的電場分量；另一種稱為模，它只有一個沿方向的磁場，模的磁場在平面內(nèi)，而模的電場在平面內(nèi)。模和模有不同的傳輸模式，通常用腳號表示，為一系列正整數(shù)。的導(dǎo)模稱為基模。當(dāng)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)。對于同一模序和具有相似場分布。對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)。（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）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?？梢韵胂笠粋€光波導(dǎo)耦合模型：折射率為和的兩個條形波導(dǎo)并列于折射率為的稱底中，下面我們將從這個模型進(jìn)行討論。首先我們假設(shè)波導(dǎo)中傳輸?shù)哪Ｊ椒謩e為，彼此間不存在耦合，那么均可以表示為： （）且滿足微分方程： （）其中是橫截面的場分布。但實際上，當(dāng)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? （）式中， （）和分別為波導(dǎo)和波導(dǎo)獨(dú)立存在時的傳播常數(shù)；和分別為引入臨近波導(dǎo)時波導(dǎo)和波導(dǎo)的傳播常數(shù)的改變量；和稱為互藕系數(shù)，體現(xiàn)出兩波導(dǎo)間的能量交換。方程（）稱為耦合模方程，是研究和討論耦合效應(yīng)的基礎(chǔ)?！?】6波導(dǎo)開關(guān)器件在現(xiàn)代通信、光傳感、光電信息處理、光計算機(jī)及計算、光神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)及光集成都需要利用光網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而波導(dǎo)光開光器件又是組成光網(wǎng)絡(luò)的重要器件。當(dāng)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。我們把這一現(xiàn)象稱為光學(xué)定向耦合，由此構(gòu)成的光波導(dǎo)器件稱為光學(xué)定向耦合光開關(guān)，也叫定向耦合器，為了產(chǎn)生同步輻射耦合，光波導(dǎo)在各個波導(dǎo)內(nèi)傳播的相速度即傳播常數(shù)應(yīng)相同。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)。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： （）式中為整數(shù)，稱為耦合長度。定向耦合器不加電壓，且器件長度與耦合長度之比是奇數(shù)倍時，定向耦合處于交叉狀態(tài)。直通狀態(tài)表示為： （）當(dāng)器件長度和傳播常數(shù)滿足（）時，定向耦合器處于直通狀態(tài)。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，它由描述兩波導(dǎo)耦合強(qiáng)弱的耦合系數(shù)決定。當(dāng)兩波導(dǎo)的耦合區(qū)長度等于耦合長度時，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(dāng)?shù)拇笮〖纯色@得任意比例的功率分配。此外定向耦合器的耦合長度與光波長的偏振狀態(tài)有關(guān)，利用這些特點(diǎn)，可以設(shè)計出波分器和選偏器等。（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。在以往使用的22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。為了實現(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)級聯(lián)組成大規(guī)模的光開關(guān)矩陣。在這種情況之下，連接光波導(dǎo)的網(wǎng)絡(luò)分復(fù)雜，芯片面積需要很大，插入損耗會很長，因此需要找到一個短程的多址分束器。多模干涉耦合器的眾多優(yōu)點(diǎn)便能滿足這個需求。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(jìn)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(jìn)行調(diào)節(jié)來控制輸出光場。，一般情況下這種結(jié)構(gòu)被稱為具有MMI結(jié)構(gòu)的馬赫曾德爾干涉儀型（MMIMZI）光開關(guān)。，這種光開關(guān)結(jié)構(gòu)的輸入和輸出端是由兩個NN MMI型耦合器組成，用來連接前后兩段多模波導(dǎo)的N條波導(dǎo)臂移相器則是中間的陰影部分。N條輸入波導(dǎo)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(dǎo)后會進(jìn)行光功率的平均分配，輸入光場在到達(dá)第二個多模波導(dǎo)時的相位則是用相移器來控制，再次進(jìn)行多模干涉，所需要的成像最終就會從輸出波導(dǎo)中的某個輸出，這樣就會達(dá)到對輸出光的控制。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。多模波導(dǎo)多模波導(dǎo)1 12