【正文】 生變化。隔離度高，線路之間的“串話”小，對(duì)于光耦合器來(lái)說(shuō)，隔離度的意義是用于反映 WDM 器件對(duì)不同波長(zhǎng)信號(hào)的分離能力，其表達(dá)式為： 多模干 涉型光耦合器的仿真設(shè)計(jì) 10 10 lg ( )iinpI dBp?? （ ） 其中 ip 表示某一光路輸出端測(cè)到的其他光路信號(hào)的功率值， inp 是被檢測(cè)光的輸入功率值。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。其數(shù)學(xué)表達(dá)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(duì)于傳輸信號(hào)的偏振態(tài)敏感程度的參量，俗稱(chēng)偏 振靈敏度。 均勻性 對(duì)于要求均勻分光的耦合器（例如 1:1 耦合器），均勻性就是用來(lái)衡量均勻器件“不均勻程度”的參數(shù)。 分光比 分光比是光耦合器所特有的技術(shù)術(shù)語(yǔ)。 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(duì)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(duì)于光耦合器而言，附加損耗反應(yīng)的是器件設(shè)計(jì)及制作過(guò)程中所產(chǎn)生的多模干 涉型光耦合器的仿真設(shè)計(jì) 9 固有損耗，而插入損耗則表示各個(gè)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。 MMI 耦合器的性能指標(biāo) 光耦合器是一種無(wú)源器件，出來(lái)一般的無(wú)源器件的參數(shù)對(duì)它適用以外，還有一些能體現(xiàn)自身特點(diǎn)的參數(shù)，雖然 MMI 耦合器在原理上與傳統(tǒng)的不相同，但 這些性能參數(shù)同樣適用。為了使光能夠輸入以及輸出多模波導(dǎo)，還必須有一些輸入輸出波導(dǎo)（一般為單模波導(dǎo)）放置在多模波導(dǎo)的起始端和終止端。 MMI 器件通常應(yīng)用在高折射率差材料構(gòu)成的光路中，因?yàn)樵趶?qiáng)制條件下成像的質(zhì)量比較高。 多模干 涉型光耦合器的仿真設(shè)計(jì) 8 4 多模干涉原 理 概述 近年來(lái)，隨著集成光學(xué)的發(fā)展，多模干涉耦合器件在集成光路中的應(yīng)用日益引起了人們的關(guān)注。根據(jù)波分復(fù)用器的不同，可以復(fù)用的波長(zhǎng)數(shù)從 2 個(gè)至數(shù)百個(gè)不等。由于不同波長(zhǎng)的光載波信號(hào)可以看做相互獨(dú)立，從而在一根光纖中可實(shí)現(xiàn)多路光信號(hào)的傳輸復(fù)用。 WDM 技術(shù)具有靈活方便的優(yōu)點(diǎn)，由于 WDM 系統(tǒng)各信道上傳輸?shù)男盘?hào)可以具有彼此獨(dú)立的比特率和體系。 WDM 系統(tǒng)中的光纖放大器直接將輸入的光信號(hào)進(jìn)行放大，無(wú) 需實(shí)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(hào)時(shí)， WDM 的所有波長(zhǎng)的光信號(hào)一起得到放大，在每一個(gè)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。 WDM 系統(tǒng)利用已經(jīng)敷設(shè)的光纖，使單根光纖的傳輸容量在原有的只能一根光纖傳輸一種模式的光信號(hào)的基礎(chǔ)上成百上千倍的增加。通常將波分復(fù)用簡(jiǎn)寫(xiě)為 WDM，光波分復(fù)用的實(shí)質(zhì)是在光纖上進(jìn)行光頻分復(fù)用。對(duì)于沒(méi)有衰減的傳播， ?應(yīng)為實(shí)數(shù)，為了簡(jiǎn)單，假設(shè)光僅在一個(gè)方向傳輸，那么對(duì)于選定的方向， ? 必須滿足 0?? ； （ 2）由條件 2 2 2 210 0nk??? ? ?和 0,?? 知 10nk?? ；由條件 2 2 2 220 0nk??? ? ?和 0,?? 知20nk?? ，那么 ? 的約束條件為 210:nnk???； （ 3）把其約束條件兩邊同乘以 01,k 有： 2 0 1n k n???； 0nk?? 定義為光場(chǎng)傳播常數(shù)為 ? 的光纖的有效折射率，那么，有效折射率的值應(yīng)該是介于 12,nn之間的； （ 4）如果給定一個(gè) m 的值，將可以求的一系列的 ? 的值，用 n 標(biāo)記，那么對(duì)于不同 m 和n 的值，將得到許多可能的傳播常數(shù) mn? ，因?yàn)?m 和 n 是整數(shù)，所以 mn? 是一系列離散的數(shù)值，每一個(gè) mn? 將對(duì)應(yīng)于一個(gè)傳播模式； （ 5）為了得出光纖中傳播的模式數(shù)，首先定 義歸一化頻率 :V 2 2 2 2 2 2 2 2 2 20 0 1 2 0 1 2 0( ) ( )V k a k a n n k a n n k a N A??? ? ? ? ? ? ? ? 當(dāng) ? 時(shí)， ? 的解是唯一的，也就是說(shuō)光纖里面只有一個(gè)模式的波傳播，當(dāng)V 更大時(shí)，光纖中的模式數(shù)約為 2 2VN? 。 2 2 2 2 2 2 39。將 2 2 2 210 。39。39。z a z aEE???? ????? 多模干 涉型光耦合器的仿真設(shè)計(jì) 6 ( ) ( )||zzaaEE???? ??????????? （ ） 將（ ）代入（ ），可得： ( ) ( ) 。式 ()很復(fù)雜，對(duì)階躍折射率光纖可以得到一個(gè)解析式，階躍光纖的折射率分布可以描述為： 12,(),nanna?????? ??? （ 225） 多模干 涉型光耦合器的仿真設(shè)計(jì) 5 其中 a 是纖心的半徑，將（ ）帶入到 ()，得到下面的方程組： 22 2 2 21022( ) 1 ( ) ( ) ( ) 0 ,d F d F mn k F add?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ? ?, () 2 2 220( ) 1 ( ) ( ) ( ) 0 ,d F d F mn k F add?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ? ? () 為了簡(jiǎn)化 ()和 ()，我們將定義兩個(gè)新的常數(shù)： 2 2 2 210nk????； 2 2 2 220nk???? 將新定義的常數(shù)帶入 ()和 ()，將得到： 22222222( ) 1 ( ) ( ) ( ) 0 ,( ) 1 ( ) ( ) ( ) 0 ,d F d F m Faddd F d F m Fadd?? ? ? ??????? ? ? ?????? ? ? ? ?? ? ? ? ? 上面兩式分別是著名的貝塞爾方程和修正貝塞爾方程其解為貝塞爾函數(shù)： ( ) ( ) ,()( ) ( ) ,mmA J B Y aFC K D I a? ? ? ? ??? ? ? ? ?? ? ??? ?? ? ?? () 其中 mJ 是 m 階一類(lèi)貝塞爾函數(shù) ,mY 是 m 階二類(lèi)貝塞爾函數(shù)， mK 是 m 階二類(lèi)修正貝塞爾函數(shù)， mI 是 m 階一類(lèi)修正貝塞爾函數(shù)， , , ,ABCD 是常數(shù)。式 ()的解是 () izZ z e?? ○ 1 ，它描述了光波是如何在 z 軸方向傳播的， ? 一般稱(chēng)為傳播常數(shù)。另外還可以假設(shè)光波是簡(jiǎn)諧振蕩波，對(duì)這一線性系統(tǒng)，一般可以用基于傅里葉變換的加權(quán)求和來(lái)處理，在這些假定下，準(zhǔn)單色光場(chǎng)的電場(chǎng)滿足下面的波動(dòng)方程： 2 2 20 0E n k E? ? ? () 其中 2 2 2c??? 是波數(shù)， ? 是角頻率， c 是真空中的光速， 12()rrn ??? 是光纖的材料折多模干 涉型光耦合器的仿真設(shè)計(jì) 4 射率，它是角頻率的函數(shù)，即 ()nn?? 。波動(dòng)光學(xué)法是從著名的麥克斯韋方程出發(fā)。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(shí)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(shí)間差為 )1( 211m inm a x ????? nncLnttt () 值得注意的是，傳播時(shí)間差從根本上限制了傳送信息的最大帶寬。這就是幾何光學(xué)關(guān)于光線在光纖中傳輸?shù)幕驹?，由于光纖很長(zhǎng)，光在傳播中會(huì)發(fā)生很多次的多模干 涉型光耦合器的仿真設(shè)計(jì) 3 全反射，為了保證衰減，我們需要百分之百的全反射，因?yàn)槊看畏瓷渲械囊恍↑c(diǎn)衰減在多次反射后將導(dǎo)致巨大的衰減。則在光纖中能發(fā)生全反射的最小角度 c? 為 21arcsin( )cnn? ? () 當(dāng)光線以臨界角入射時(shí)，入射角 i? 記為 ic? ，根據(jù)幾何關(guān)系， ic? 可以用 1n 和 2n 來(lái)表示由090cr???? 和 1si n si no ic rnn??? 可知： 01si n si nic rnn??? () 0sin i ? 稱(chēng)為光纖的數(shù)值孔徑（ NA）， ic? 是光纖的接收角。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(huì)產(chǎn)生內(nèi)全反射。 幾何光學(xué)法 光在光纖中的傳播可以用簡(jiǎn)單的幾何光學(xué)原理來(lái)說(shuō)明。隨著傳輸帶寬用量需求的巨大增長(zhǎng)，尤其是因特網(wǎng)上傳輸數(shù)據(jù)的快速增長(zhǎng)，人們對(duì)傳輸帶寬有著巨大的需求，而光纖通信具有海量帶寬、低損耗、輕便緊湊、安全性高的獨(dú)一無(wú)二的特點(diǎn)，所以光纖通信是滿足這種帶寬需求的最佳方案。 2 光纖中光的傳播 使用光波來(lái)通信已經(jīng)有五千多年的歷史了。 ，以及對(duì)模式本征方程的分析 ，主要對(duì) MMI 耦合器的分析。 本章主要介紹了波分復(fù)用傳輸 技術(shù)，從其概念、優(yōu)點(diǎn)和原理對(duì)其有一個(gè)簡(jiǎn)單的認(rèn)識(shí)。 引言：主要介紹了課題研究的相關(guān)背景、目的、意義以及簡(jiǎn)單的介紹了多模干涉型光耦合器的優(yōu)點(diǎn)。正是由于它的這種特性，從波分復(fù)用 （ WDM）系統(tǒng)到無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（ PON）系統(tǒng)，光耦合器具有不可替代的地位。 隨著光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展，光器件的需求無(wú)疑也是巨大的，對(duì)其發(fā)展也是一種機(jī)遇和挑戰(zhàn)，如何開(kāi)發(fā)出性能優(yōu)良、價(jià)格低廉的光器件已成為我們所需要解決的首要問(wèn)題。用戶(hù)需求調(diào)查顯示，為了滿足上述用戶(hù)的需求，高端用戶(hù)的下行接入需求將達(dá)到 20MB~30MB， 而到 2050時(shí)將會(huì)更高，將達(dá)到 50MB~100MB 的帶寬需求，這顯然是目前依托電話線的 ADSL 所能提供的 2M~3M 的帶寬所不能完成的。在長(zhǎng)距離的光信號(hào)傳輸中，世界范圍內(nèi)出現(xiàn)了干線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的熱潮，傳輸帶寬和容量都在快速的發(fā)展。多模干涉型光學(xué)耦合器相比于傳統(tǒng)耦合器具有結(jié)構(gòu)緊湊，頻帶較寬以及對(duì)偏振不敏感的特性，已經(jīng)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。s munication needs. WDM technology is the best solution to solve the capacity and rate of optical munication. MMI (MMI) optical coupler because of its pact structure, frequency bandwidth, and do not sensitive to Polarization characteristics is the most important devices for wavelength division multiplexing technology, more and more MMI was used in optical munications. This paper first use the geometrical optics method and wave optics propagation to describes the light in the fiber, and then briefly discusses the light wavelength division multiplexing technology, and then discuss the principle of multimode interference, and further discussion of waveguide devices to pass light the basic principles, and finally through the simulation of the simple MMI coupler, the light field distribution experiments and discussions. From the experiment, the refractive index of the cladding, the waveguide refractive index and waveguide39。從而根據(jù)參數(shù)的選擇來(lái)設(shè)計(jì)出適合各種場(chǎng)合的多模干涉型器件。 本文首先用幾何光學(xué)法和波動(dòng)光學(xué)法介紹了光在光纖中的傳播，然后簡(jiǎn)單闡述了光的波分復(fù)用技術(shù)，然后討論了多模干涉的原理，再進(jìn)一步的討論了波導(dǎo)器件傳光的基本原理，最后通過(guò)對(duì)簡(jiǎn)單的 MMI 型耦合器的仿真，對(duì)其中光場(chǎng)的分布進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和討論。而波分復(fù)用技術(shù)是解決光通信的容量和速率的最佳解決方案。 —— 10 完成論文寫(xiě)作并進(jìn)行修改。 —— 8 討論光波在耦合器中光能量的傳輸。 — —