【導(dǎo)讀】個(gè)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(qǐng)學(xué)位論文和資料若有不實(shí)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(xiàn)。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。3通過(guò)組內(nèi)討論，理解多模干涉原理。4利用軟件建模。5對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行軟件仿真，對(duì)結(jié)果進(jìn)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(jì)劃執(zhí)行，在規(guī)定時(shí)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(wèn)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(jì)在國(guó)內(nèi)外的研究下將會(huì)有更先進(jìn)的理論和器件的出現(xiàn)。3對(duì)多模干涉型光耦合器的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并設(shè)計(jì)出其初始結(jié)構(gòu)；

　　

【正文】 反射時(shí)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(kāi)始的有限個(gè)正整數(shù)。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。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(shí)，對(duì)于給定的 m ，只有一個(gè)確定的 0k? 與之對(duì)應(yīng)，因此也只有一個(gè)確定的比值與其對(duì)應(yīng)。這說(shuō)明對(duì)于一個(gè)給定的模式，只有一個(gè)確定的入射方向。即波導(dǎo)對(duì)入射角是具有選擇性的，而 m 只能取有限個(gè)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(duì)于一定的模式，存在一個(gè)最小膜厚度（稱為截止膜厚）。這時(shí) 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(chǎng)分布等等。 對(duì)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?，我們都將其視為波?dǎo)的一個(gè)傳輸模式，而且在一 定的波長(zhǎng)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(duì)于一定波長(zhǎng)的光來(lái)說(shuō)，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(zhǎng)增加到一定長(zhǎng)度時(shí)，光波將不能在波導(dǎo)里傳播，我們稱這時(shí)的波長(zhǎng)為導(dǎo)模的截止波長(zhǎng)，這是非對(duì)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(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(chǎng)分量；另一種稱 為 TM 模，它只有一個(gè)沿 y 方向的磁場(chǎng)， TE 模的磁場(chǎng)在 xz? 平面內(nèi)，而 TM 模的電場(chǎng)在 xz? 平面內(nèi)。 TE 模和 TM 模有不同 的傳輸模式，通常用腳號(hào) 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(shí)，我們把這一波導(dǎo)稱為單模波導(dǎo)。對(duì)于同一模序 ,m mTE 和 mTM 具有相似場(chǎng)分布。對(duì)于給定波長(zhǎng)的光波來(lái)說(shuō)，波導(dǎo)的厚度與寬度以 及它周?chē)橘|(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(guó)防工業(yè)出版社 ， 31~35） 光波導(dǎo)的耦合分析 在實(shí)際應(yīng)用中，常常需要將一個(gè)光波導(dǎo)中的能量耦合到相鄰的光波導(dǎo)中去，以實(shí)現(xiàn)方向耦合、開(kāi)光、調(diào)制、濾波等功能?？梢韵胂笠粋€(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。 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(chǎng)分布。但實(shí)際上，當(dāng)兩波導(dǎo)相互靠近時(shí)，因?yàn)閮蓚€(gè)波導(dǎo)彼此處于對(duì)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(dú)立存在時(shí)的傳播常數(shù)； 11c 和 22c 分別為引入臨近波導(dǎo)時(shí)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(kāi)關(guān)器件 在現(xiàn)代通信、光傳感、光電信息處理、光計(jì)算機(jī)及計(jì)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(jì) 16 需要利用光網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而波導(dǎo)光開(kāi)光器件又是組成光網(wǎng)絡(luò)的重要器件。 定向耦合光開(kāi)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(shí)就會(huì)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(kāi)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(gè)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(zhǎng)度及模式的場(chǎng)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(zhǎng)度。定向耦合器不加電壓，且器件長(zhǎng)度 L 與耦合長(zhǎng)度 0L 之比是奇數(shù)倍時(shí)，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(zhǎng)度 L 和傳播常數(shù) ?? 滿足（ ）時(shí)，定向耦合器處于直通狀態(tài)。 一個(gè)確定長(zhǎng)度的定向耦合器，其最關(guān)鍵的參數(shù)時(shí)耦合長(zhǎng)度 0L ，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(zhǎng)度 L 等于耦合長(zhǎng)度 0L 時(shí)，光功率可從一條波導(dǎo)耦合向另一條波導(dǎo)，可見(jiàn)，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(zhǎng)度與光波長(zhǎng)的偏振狀態(tài)有關(guān)，利用這些特點(diǎn)，可以設(shè)計(jì)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(guó)防工業(yè)出版社 ， 123~124） 、 MMI 光開(kāi)關(guān) 光開(kāi)關(guān)無(wú)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。在以往使用的 2 2 光開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)是由 MZ 移相器與 2 個(gè) 3dB Y 型波導(dǎo)耦合器連接組成。為了實(shí)現(xiàn)多址傳送，這就要求眾多的光開(kāi)關(guān)單元按照樹(shù)枝狀網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)組成大規(guī)模的光開(kāi)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(huì)很長(zhǎng)，因此需要找到一個(gè)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(gè)需求。 MMI 型結(jié)構(gòu)的光開(kāi)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(gè)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(shí)兩種不同的輸出效果；第二種為相位控制，就是對(duì)光場(chǎng)相位的分布進(jìn)行調(diào)節(jié)來(lái)控制輸出光場(chǎng)。相位控制的 MMI 型多模干 涉型光耦合器的仿真設(shè)計(jì) 17 結(jié)構(gòu)的光開(kāi)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?tīng)柛缮鎯x型（ MMIMZI）光開(kāi)關(guān)。如 圖所示，這種光開(kāi)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(lái)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(chǎng)，輸入光的光場(chǎng)在經(jīng)過(guò)第一個(gè)多模波導(dǎo)后會(huì)進(jìn)行光功率的平均分配，輸入光場(chǎng)在到達(dá)第二個(gè)多模波導(dǎo)時(shí)的相位則是用相移器來(lái)控制，再次進(jìn)行多模干涉，所需要的成像最終就會(huì)從輸出波導(dǎo)中的某個(gè)輸出，這樣就會(huì)達(dá)到對(duì)輸出光的控制。對(duì)于選擇輸出波導(dǎo)則可通過(guò)調(diào)整移相器一定的長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)，不同長(zhǎng)度的移相器，則會(huì)在不同的 波導(dǎo)輸出。 1 1 2 2 . 移相器 . N N 圖 MMIMZI 光開(kāi)關(guān)示意圖 一類結(jié)構(gòu)則是為了使多模波導(dǎo)同時(shí)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(huì)使波導(dǎo)局部折射率的分布發(fā)生變化，然后會(huì)改變多模波導(dǎo)內(nèi)的光場(chǎng)的干涉情況，這樣便可以控制輸出光的光場(chǎng)。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(chǎng)和輸出光光場(chǎng)在多模波導(dǎo)內(nèi)的分布情況，就可以得出電極作用時(shí)所需光場(chǎng)分布的改變情況，便可通過(guò)對(duì)電極參數(shù)的調(diào)整來(lái)滿足這種需要，設(shè)計(jì)出滿足特定要求的 MMI 光開(kāi)關(guān)器件。 1 1 1 2 2 2 N N N 圖 電極控制 MMI 光開(kāi)關(guān)示意圖 MMI 型 2 波長(zhǎng)波分復(fù)用器 由成對(duì)干涉原理可得：當(dāng)多模波導(dǎo)長(zhǎng)度為 L π 的奇數(shù)倍時(shí)， 輸入場(chǎng)相對(duì)于多模波導(dǎo)中線呈軸對(duì)稱的一個(gè)反演像 ， 當(dāng)多模波導(dǎo)長(zhǎng)度為 L π 偶數(shù)倍時(shí) ， 多 模波導(dǎo)終端得到與輸入場(chǎng)完全相同的一個(gè)正像 。由于 L π 是入射波長(zhǎng)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(zhǎng)度為某一波長(zhǎng)的 L π 偶數(shù)倍，為另一波長(zhǎng) 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(jì) 18 涉耦合器就可以實(shí)現(xiàn)兩波長(zhǎng)分離。如圖 所示，以 m/ m 2 波長(zhǎng)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(zhǎng)在不同單模波導(dǎo)輸出，即可實(shí)現(xiàn)兩波長(zhǎng) 的分離。 圖 m? / m? 波分復(fù)用器結(jié)構(gòu)示意圖 MMI型 2波長(zhǎng)波分復(fù)用器還可用于光纖放大器中，用它將信號(hào)光和泵浦光合并到摻鉺光纖中進(jìn)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(shí)傳輸多種不同類型的信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)單根光纖雙向傳輸，具有高度的組網(wǎng)靈活性、經(jīng)濟(jì)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(lái)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(zhǎng)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(jiǎn)單及對(duì)偏振不敏感等優(yōu)點(diǎn)，已越來(lái)越多地應(yīng)用于光通信系統(tǒng)中?；趶?qiáng)限制的 MMI有帶寬小和性能參數(shù)對(duì)寬度依賴強(qiáng)兩個(gè)缺點(diǎn)。制作時(shí)對(duì)多模波導(dǎo)的寬度要精確控制。帶寬對(duì)于應(yīng)用于光網(wǎng)絡(luò)的光器件來(lái)說(shuō)是一個(gè)相當(dāng)重要的指標(biāo)。 ，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。今年來(lái)出現(xiàn)的弱限制（折射率差為 —） MMI器件可彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)。但弱限制 MMI器件輸出波導(dǎo)的間距比較小，對(duì) 于輸出波導(dǎo)如何引出的問(wèn)題和輸出波導(dǎo)間的相互耦合特性還需進(jìn)一步研究。 目前 MMI的多模波導(dǎo)區(qū)只在一個(gè)方向上（一般是平行于襯底）支持多模，而在另一個(gè)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(gè)方向尺寸相當(dāng)時(shí)，就必須考慮二維自映像效應(yīng)，這樣將原來(lái)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(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(jiǎn)單 MMI 耦合器光場(chǎng)干涉圖 這是創(chuàng)建的一個(gè)簡(jiǎn)單的 MMI 型耦合器，用軟件 OptiBPM 軟件模擬后光場(chǎng)的 2D 分布圖像，從圖像中可以看出，圖中