【導(dǎo)讀】個人和集體，均已在文中以明確方式注明并表示感謝。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(dān)相應(yīng)的法律責(zé)任。1查閱相關(guān)資料，閱讀相關(guān)文獻。2整理文獻，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。4利用軟件建模。5對系統(tǒng)進行軟件仿真，對結(jié)果進行分析。7完成一篇英文論文的翻譯。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。中成為光纖通信系統(tǒng)發(fā)展最主要的問題。在光通信系統(tǒng)使用的各種器件中，光耦合器。多模型型光器件是全光通信網(wǎng)重要的組成部。此預(yù)計在國內(nèi)外的研究下將會有更先進的理論和器件的出現(xiàn)。3對多模干涉型光耦合器的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行計算，并設(shè)計出其初始結(jié)構(gòu)；

　　

【正文】 反射時產(chǎn)生的相位變化。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)。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(yīng)的關(guān)系。在導(dǎo)波光學(xué)中，通常稱 0k? 為等效折射率，則 01sinN k n??? （ ） （ 1）當(dāng)膜厚度 h 一定時，對于給定的 m ，只有一個確定的 0k? 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 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）。這時 0k? 等于 2n ，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 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 TE 模，它只有一個沿 y 方多模干 涉型光耦合器的仿真設(shè)計 15 向的電場分量；另一種稱 為 TM 模，它只有一個沿 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)。 TE 模和 TM 模有不同 的傳輸模式，通常用腳號 m表示， m 為一系列正整數(shù)。 0m? 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 ,m mTE 和 mTM 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） 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?？梢韵胂笠粋€光波導(dǎo)耦合模型：折射率為 1n 和 2n的兩個條形波導(dǎo)并列于折射率為 3n 的稱底中，下面我們將從 這個模型進行討論。 耦合模式方程 首先我們假設(shè)波導(dǎo) 1 中傳輸?shù)哪Ｊ椒謩e為 12EE、 ，彼此間不存在耦合，那么 12EE、均可以表示為： 0( , , , ) ( , ) e xp [ ( ) ]E x y z t A x y i t z??? ? ? （ ） 且滿足微分方程： 0dE dz i E?? （ ） 其中 ( , )Axy 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? 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。方程（ ）稱為耦合模方程，是研究和討論耦合效應(yīng)的基礎(chǔ)?！?2】 6 波導(dǎo)開關(guān)器件 在現(xiàn)代通信、光傳感、光電信息處理、光計算機及計算、光神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)及光集成都多模干 涉型光耦合器的仿真設(shè)計 16 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。 定向耦合光開關(guān) 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： 0 12?? ??? ?cLL （ ） 式中 v 為整數(shù)， 0L 稱為耦合長度。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，定向耦合處于交叉狀態(tài)。直通狀態(tài)表示為： 2220 )2()()( ??? ??? LLL （ ） 當(dāng)器件長度 L 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 0L ，它由描述兩波導(dǎo)耦合強弱的耦合系數(shù)決定。當(dāng)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(dāng)?shù)?L 大小即可獲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，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 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。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。相位控制的 MMI 型多模干 涉型光耦合器的仿真設(shè)計 17 結(jié)構(gòu)的光開關(guān)如圖 所示，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)。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 N N 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)后會進行光功率的平均分配，輸入光場在到達第二個多模波導(dǎo)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(dǎo)中的某個輸出，這樣就會達到對輸出光的控制。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。 1 1 2 2 . 移相器 . N N 圖 MMIMZI 光開關(guān)示意圖 一類結(jié)構(gòu)則是為了使多模波導(dǎo)同時具備移相的功能，在多 模干涉型耦合器的波導(dǎo)側(cè)壁附加上輸入電極，如圖 所示。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。電極作用后會使波導(dǎo)局部折射率的分布發(fā)生變化，然后會改變多模波導(dǎo)內(nèi)的光場的干涉情況，這樣便可以控制輸出光的光場。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。 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(dāng)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(dāng)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 。由于 L π 是入射波長的函數(shù)，只要合理選擇多模波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，使得多模波導(dǎo)的長度為某一波長的 L π 偶數(shù)倍，為另一波長 L π 的奇數(shù)倍，多模干多模 波導(dǎo) 多模 波導(dǎo) 多模波導(dǎo)移相器 多模干 涉型光耦合器的仿真設(shè)計 18 涉耦合器就可以實現(xiàn)兩波長分離。如圖 所示，以 m/ m 2 波長分復(fù)用器為例， m 和 m 兩個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，即可實現(xiàn)兩波長 的分離。 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行放大。 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。 MMI 型陣列波導(dǎo)光柵復(fù)用器 /解復(fù)用器 波分復(fù)用技術(shù)可以充分利用光纖巨大的帶寬資源，可以同時傳輸多種不同類型的信號，可以實現(xiàn)單根光纖雙向傳輸，具有高度的組網(wǎng)靈活性、經(jīng)濟性和可靠性。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。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型陣列光柵復(fù)用器 /解復(fù)用器是目前研究與發(fā)展最迅速的一種密集波分復(fù)用器。 MMI器件由于具有插入損耗小、結(jié)構(gòu)緊湊、制作容差性好、工藝簡單及對偏振不敏感等優(yōu)點，已越來越多地應(yīng)用于光通信系統(tǒng)中?；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。制作時對多模波導(dǎo)的寬度要精確控制。帶寬對于應(yīng)用于光網(wǎng)絡(luò)的光器件來說是一個相當(dāng)重要的指標(biāo)。 ，分析了搶險之下 MMI器件的帶寬，并指出當(dāng) NN? MMI器件的路數(shù) N＞ 8 8?N 時很難得到令人滿意的帶寬。今年來出現(xiàn)的弱限制（折射率差為 —） MMI器件可彌補這一缺點。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。 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)。當(dāng)多模干涉區(qū)橫截面兩個方向尺寸相當(dāng)時，就必須考慮二維自映像效應(yīng)，這樣將原來的 MMI器件向三維空間拓展，可獲得更高集成度的 MMI器件。 多模波導(dǎo) 多模干 涉型光耦合器的仿真設(shè)計 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