【正文】 激光, 2003【7】黃耐容，王謙基于多模干涉耦合器的陣列波導(dǎo)光柵設(shè)計(jì)研究 光子學(xué)報(bào), 2003【8】蔡純，張夕飛，朱建彬，張明德，肖金標(biāo)多功能 2 2GaAs/GaAlAs 多模干涉型光開關(guān)分析電子學(xué)報(bào), 2003【9】孫一翎, 李善祥, 李景鎮(zhèn)，多模干涉耦合器中光傳輸特性的分析與模擬，光電子其次感謝我們一組的同學(xué)的幫助，正是有了我們的相互幫助和相互鼓勵(lì)，我們才圓滿的完成了本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)。在我無(wú)助的時(shí)候他給予我?guī)椭?，在我迷茫的時(shí)候他給予我方向，每次和老師的討論我都會(huì)獲益匪淺，老師的性格也給了我很大的影響，時(shí)堅(jiān)老師嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)的態(tài)度和精益求精的工作精神讓我獲益匪淺。致謝這篇論文是在時(shí)堅(jiān)老師的悉心指導(dǎo)下完成的，時(shí)堅(jiān)老師為人隨和、幽默。且干涉現(xiàn)象更明顯，所以，當(dāng)我們需要寬波導(dǎo)內(nèi)的光場(chǎng)干涉更明顯時(shí)，我們需要guide的折射率和cladding的折射率相差不大，而且，當(dāng)我們繼續(xù)縮小輸入光場(chǎng)的波導(dǎo)的寬度時(shí)，我們應(yīng)該會(huì)得到更加明顯的光場(chǎng)干涉，我們得到圖20：圖20 從右側(cè)調(diào)色板的值及圖20中峰值的顏色可以看出，圖20寬波導(dǎo)內(nèi)的光場(chǎng)比圖17寬波導(dǎo)內(nèi)的光場(chǎng)干涉更明顯。當(dāng)輸入兩術(shù)光的時(shí)候，兩術(shù)光在波導(dǎo)內(nèi)發(fā)生相互的干涉，干涉現(xiàn)象與圖1相比，沒有圖1明顯，那么我們可以考慮將兩個(gè)短波導(dǎo)的寬度進(jìn)行縮小，縮小至1時(shí)，我們得到圖17：圖17 兩個(gè)輸入端寬度均變窄的光場(chǎng)干涉將圖17與圖16相比較，圖17的干涉現(xiàn)象沒有圖16的明顯，我們考慮將兩個(gè)段波導(dǎo)的寬度進(jìn)行增加，增加至，我們將得到圖18：圖18 兩個(gè)輸入端均變寬的光場(chǎng)干涉圖18的干涉現(xiàn)象與之前都明顯，我們可以通過(guò)調(diào)整前面輸入光的兩個(gè)波導(dǎo)的寬度來(lái)使第三個(gè)寬波導(dǎo)內(nèi)的干涉達(dá)到最大，同時(shí)我們還可以通過(guò)調(diào)整折射率及第三個(gè)寬波導(dǎo)的長(zhǎng)度，從而實(shí)現(xiàn)我們需要的光束。：，參照?qǐng)D2進(jìn)行設(shè)置，我們wafer dimension選項(xiàng)卡中的長(zhǎng)度設(shè)置為6000,如下圖所示波導(dǎo)1的參數(shù)設(shè)置為：，開始位置其水平和垂直偏移量均為0，結(jié)束位置其水平偏 2 5 31 4圖12移量為200，垂直偏移量為0，波導(dǎo)2的開始選項(xiàng)卡中，開始水平偏移量設(shè)置為200，垂直偏移量為0，結(jié)束選項(xiàng)卡的開始中的水平偏移量設(shè)置為5300，垂直偏移量設(shè)置為0，寬度設(shè)置為48（這樣設(shè)置是為了讓波導(dǎo)2組成的MMI耦合器能有如圖2所示的輸出）。7. 、從該模擬中我們可以知道，如果我們能正確的設(shè)置或?qū)λ械膮?shù)進(jìn)行正確的選擇我們可以用MMI耦合器將一束光分成若干術(shù)。7. 、從圖圖11可以看出，當(dāng)我們改變第一個(gè)波導(dǎo)的寬度的時(shí)候，可以將MMI耦合器內(nèi)干涉后的光場(chǎng)進(jìn)行垂直方向的放大；7. 、當(dāng)我們將第二個(gè)波導(dǎo)的長(zhǎng)度進(jìn)行改變時(shí)，從圖5可以看出，MMI耦合器內(nèi)干涉后的光場(chǎng)分布整體也隨之移動(dòng)，當(dāng)?shù)诙€(gè)波導(dǎo)的長(zhǎng)度變大時(shí)，在z軸方向圖像將向左移動(dòng)（或者是縮?。?；即當(dāng)將第二個(gè)波導(dǎo)的長(zhǎng)度進(jìn)行拉伸時(shí)，我們所得到的圖像將會(huì)被“壓縮”7. 、當(dāng)我們改變第二個(gè)波導(dǎo)的寬度時(shí)(見圖7)，圖7相當(dāng)于是圖1的拉伸，有三個(gè)峰值的點(diǎn)在z軸上向右移動(dòng)了一段距離。在最末端形成一個(gè)最大值，然后輸出。如果我們使第一個(gè)波導(dǎo)和第二個(gè)波導(dǎo)的長(zhǎng)度以及第二個(gè)波導(dǎo)和寬度保持與圖1時(shí)所設(shè)置的參數(shù)一致時(shí)，我們改變第一個(gè)波導(dǎo)的z軸偏移量，即相當(dāng)于改變其長(zhǎng)度，將第一個(gè)波導(dǎo)在z軸上的偏移量設(shè)置為800，即可認(rèn)為其長(zhǎng)度為800，其他參數(shù)均與圖1時(shí)所設(shè)置的參數(shù)相同，將得到下圖：圖9第一個(gè)波導(dǎo)長(zhǎng)度增加至800的光場(chǎng)干涉將其與圖1及圖3相比較時(shí)，我們可以看出，第一個(gè)波導(dǎo)的長(zhǎng)度對(duì)MMI耦合器內(nèi)光場(chǎng)的分布影響不是很大，當(dāng)我們將第一個(gè)波導(dǎo)的寬度設(shè)置為，長(zhǎng)度為200，其他參數(shù)與圖1的相同時(shí)，將得到下圖：圖10第一個(gè)波導(dǎo)寬度增大時(shí)光場(chǎng)干涉當(dāng)我們將第一個(gè)波導(dǎo)的寬度設(shè)置為，長(zhǎng)度為200，其他參數(shù)與圖1的相同時(shí)，將得到下圖圖10 和圖11說(shuō)明改變?cè)搮?shù)的時(shí)候，將會(huì)使MMI耦合器內(nèi)的光場(chǎng)干涉與圖1相比較時(shí)，很顯然沒有沒有圖1的干涉現(xiàn)象明顯，所以第一個(gè)波導(dǎo)的寬度對(duì)形成的干涉光場(chǎng)會(huì)有一定的影響，MMI耦合器內(nèi)光場(chǎng)的干涉相當(dāng)于狹縫干涉，第一個(gè)波導(dǎo)的寬度越小，即越窄，耦合器內(nèi)的光場(chǎng)干涉越明顯。那么我們就有了方法2能使MMI耦合器內(nèi)的峰值分布符合我們的要求，即我們可以調(diào)整MMI耦合器內(nèi)第二個(gè)波導(dǎo)的寬度。故我們可以將guide的折射率設(shè)置為cladding的2倍，再來(lái)調(diào)整波導(dǎo)的長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)在z軸的最右端有任意個(gè)輸出。從圖中我們還可以看出，這相當(dāng)于一個(gè)對(duì)稱的干涉圖樣，那么光場(chǎng)在其中的干涉圖樣到底是不是成周期性的呢？圖5波導(dǎo)總長(zhǎng)度變?yōu)?0000的光場(chǎng)干涉下面，我們將第一個(gè)波導(dǎo)在z軸的偏移量設(shè)置為100，而將兩個(gè)波導(dǎo)的總偏移量設(shè)置為20000，折射率還是2倍的關(guān)系，為了使布局在我們的視野內(nèi)，此時(shí)我們需要將layout opinions對(duì)話框：display ratio 下，z設(shè)置為100，我們將得到以下光場(chǎng)干涉圖樣：圖6第一個(gè)波導(dǎo)縮短總長(zhǎng)度增加的光場(chǎng)干涉此圖充分說(shuō)明了光場(chǎng)干涉后在MMI耦合器內(nèi)的分布是呈周期性的。為了說(shuō)明第一個(gè)波導(dǎo)在z軸的偏移量（即長(zhǎng)度）對(duì)這兩個(gè)峰值的位置有一定的影響，我們將第一個(gè)波導(dǎo)在z軸的偏移量設(shè)置為800，而總長(zhǎng)度不變還是為5300。b、當(dāng)我們將第一個(gè)波導(dǎo)長(zhǎng)度設(shè)置為400，即我們將第一個(gè)波導(dǎo)在z軸上的水平偏移量設(shè)置為400。這兩個(gè)峰值是關(guān)于軸對(duì)稱的。在最末端（處）形成一個(gè)最大值，然后輸出。這兩個(gè)峰值是關(guān)于軸對(duì)稱的。淺黑色代表能量為輸入的紅色的一半，深黑色代表在模擬過(guò)程中能量的最大值。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。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)如何引出的問題和輸出波導(dǎo)間的相互耦合特性還需進(jìn)一步研究。分析了搶險(xiǎn)之下MMI器件的帶寬，并指出當(dāng) MMI器件的路數(shù)N＞8時(shí)很難得到令人滿意的帶寬。制作時(shí)對(duì)多模波導(dǎo)的寬度要精確控制。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。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。 多模波導(dǎo) /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。由于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π偶數(shù)倍，為另一波長(zhǎng)π的奇數(shù)倍，多模干涉耦合器就可以實(shí)現(xiàn)兩波長(zhǎng)分離。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光開關(guān)器件。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。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。這種光開關(guān)結(jié)構(gòu)的輸入和輸出端是由兩個(gè)NN 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。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(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)。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。在以往使用的22光開關(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。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。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，它由描述兩波導(dǎo)耦合強(qiáng)弱的耦合系數(shù)決定。定向耦合器不加電壓，且器件長(zhǎng)度與耦合長(zhǎng)度之比是奇數(shù)倍時(shí)，定向耦合處于交叉狀態(tài)。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)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。方程（）稱為耦合模方程，是研究和討論耦合效應(yīng)的基礎(chǔ)。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(chǎng)分布。（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）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、開光、調(diào)制、濾波等功能。對(duì)于同一模序和具有相似場(chǎng)分布。的導(dǎo)模稱為基模。一種稱為模，它只有一個(gè)沿方向的電場(chǎng)分量；另一種稱為模，它只有一個(gè)沿方向的磁場(chǎng)，模的磁場(chǎng)在平面內(nèi)，而模的電場(chǎng)在平面內(nèi)。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。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。即波導(dǎo)對(duì)入射角是具有選擇性的，而只能取有限個(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）。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(shí)，對(duì)于給定的，只有一個(gè)確定的與之對(duì)應(yīng)，因此也只有一個(gè)確定的比值與其對(duì)應(yīng)。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(gè)正整數(shù)。并且，如果波在兩分界面之間來(lái)回傳播一次產(chǎn)生的相位變化正好是的整數(shù)倍時(shí)，則多次來(lái)回來(lái)回傳播所形成的多個(gè)駐波都可以用同一個(gè)駐波方程來(lái)描述，這樣的駐波場(chǎng)是穩(wěn)定的。既然在波導(dǎo)內(nèi)存在兩個(gè)方向相反的平面波，那么，由波動(dòng)光學(xué)可知，它們將形成駐波。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(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。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(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?！”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(duì)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。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。在長(zhǎng)度為奇數(shù)倍的多模波導(dǎo)終端，得到輸入場(chǎng)的兩重像。在長(zhǎng)度為的整數(shù)倍的多模波導(dǎo)終端，得到的是輸入場(chǎng)的單個(gè)像。為實(shí)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(duì)稱。以上討論中為互質(zhì)的自然數(shù)。其中, 當(dāng)長(zhǎng)度為奇數(shù)倍時(shí)， 多模波導(dǎo)終端得到的是和輸入場(chǎng)關(guān)于多模波導(dǎo)中線成軸對(duì)稱的反演像；當(dāng)長(zhǎng)度為偶數(shù)倍時(shí)，多模波導(dǎo)終端得到輸入場(chǎng)的正像。在處，模次為的模次光場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)為且關(guān)與奇對(duì)稱。其中為互質(zhì)的自然數(shù)。這兩個(gè)像關(guān)于多模波導(dǎo)的中線對(duì)稱分布，相位相差。對(duì)于一般性干涉多模干涉耦合器在長(zhǎng)度為整數(shù)倍的多模波導(dǎo)的終端，可得到輸入場(chǎng)的單個(gè)像，在這些像中，長(zhǎng)度為奇數(shù)倍多模波導(dǎo)終端，得到的是和輸入場(chǎng)關(guān)于多模波導(dǎo)中線成軸對(duì)稱的反演像；在長(zhǎng)度為偶數(shù)倍多模終端，得到的是輸入場(chǎng)的正像（再現(xiàn)）。而對(duì)與成對(duì)干涉，模次時(shí)，場(chǎng)激勵(lì)系數(shù)；對(duì)稱干涉中，模次時(shí)，場(chǎng)激勵(lì)系數(shù)。限制性干涉又可分為成對(duì)干涉和對(duì)稱干涉。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。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(chǎng)橫向分布和多模波導(dǎo)起始端(處) 的光場(chǎng)橫向分布發(fā)生變化?！?】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(chǎng)可以寫成個(gè)導(dǎo)模的線性疊加： （）其中是次模的光場(chǎng)，是激勵(lì)系數(shù)，表示處光場(chǎng)的橫向分布。隔離度是指光耦合器件某一光路對(duì)其他光路中光信號(hào)的隔離能力。它是指當(dāng)輸入光偏振太發(fā)生3600變化時(shí)，器件各輸出端口輸出光功率的最大變化量： （）在實(shí)際應(yīng)用中，光信號(hào)偏振態(tài)的變化是經(jīng)常發(fā)生的。它定義為器件在工作帶寬范圍內(nèi)，各輸出端口輸出光功率的最大變化率。它定義為耦合器