多模干涉型光耦合器的仿真設計(改3)

1、 西 安 郵 電 大 學 畢 業(yè) 設 計（論 文）題 目： 多模干涉型光學耦合器的仿真設計 學 院： 電子工程學院 系 部： 光電子技術(shù)系 專 業(yè)： 光信息科學與技術(shù) 班 級： 0801班 學生姓名： 熊杰 導師姓名： 時堅 職稱： 講師 起止時間： 2012年2月27日2012年6月17日 畢業(yè)設計（論文）誠信聲明書本人聲明：本人所提交的畢業(yè)論文多模干涉型光學耦合器的仿真設計是本人在指導教師指導下獨立研究、寫作的成果，論文中所引用他人的文獻、數(shù)據(jù)、圖件、資料均已明確標注；對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，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，申請學位論文和資料

2、若有不實之處，本人愿承擔相應的法律責任。論文作者簽名： 時間： 年 月 日指導教師簽名： 時間： 年 月 日西 安 郵 電 大 學畢業(yè)設計(論文)任務書學生姓名熊杰指導教師時堅職稱講師學 院電子工程學院系 部光電子技術(shù)系專 業(yè) 光信息科學與技術(shù)題 目多模干涉型光學耦合器的仿真設計任務與要求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耦合器的應用，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。選取耦合器參數(shù)，設計多模干涉型光學耦合器。5對系統(tǒng)進行軟件仿真，對結(jié)果進行分析。6 對結(jié)果進行整理，討論光波在耦合器中光能量的傳輸及多模干涉耦合器的應用。7 完成一篇英文論文

3、的翻譯。8 完成論文寫作并進行修改。開始日期2012年2月27日完成日期2012年6月10日主管院長(簽字)2012年3月1日西 安 郵 電 大 學畢 業(yè) 設 計 (論文) 工 作 計 劃 學生姓名：_ 熊杰 _指導教師：_ 時堅 職稱： 講師 學 院：_ 電子工程學院 _ 系部：_光電子技術(shù)系 專 業(yè)： 光信息科學與技術(shù) 題 目：_ 多模干涉型光學耦合器的仿真設計 工作進程起止時間 工 作 內(nèi) 容2012.02.272012.03.23 1查閱相關(guān)資料，閱讀相關(guān)文獻。2012.03.232012.04.10 2了解多模干涉型光學耦合器的應用，目前的發(fā)展。2012.04.112012.04.0

4、1 3通過組內(nèi)討論，理解多模干涉原理。2012.04.182012.04.24 4利用軟件建模。2012.04.252012.05.05 5選取耦合器參數(shù)，設計多模干涉型光學耦合器2010.05.062010.05.16 6對結(jié)果進行分析。2012.05.172012.05.27 7做一個關(guān)于多模干涉耦合器的應用的專題報告。2012.05.282012.06.08 8討論光波在耦合器中光能量的傳輸2012.06.092012.06.16 9 完成一篇英文論文的翻譯。2012.06.012012.06.17 10 完成論文寫作并進行修改 主要參考書目(資料)：1基于多模干涉耦合器的集成熱光開關(guān)實

5、驗研究 萬助軍 吳亞明 光學學報, 20062多模干涉型集成光學器件研究進展 馬慧蓮 光電子 激光, 20033基于多模干涉耦合器的陣列波導光柵設計研究 黃耐容， 王謙 光子學報, 20034多功能 2 2GaAs/GaAlAs 多模干涉型光開關(guān)分析 蔡純， 張夕飛， 朱建彬， 張明德， 肖金標 電子學報, 20035物理光學與應用光學石順祥 西安電子科技大學出版社6光纖通信 Gerd keiser 電子工業(yè)出版社主要儀器設備及材料：計算機論文(設計)過程中教師的指導安排：每周 周一上午34節(jié)周四下午12節(jié) 對計劃的說明：本人將嚴格按照上訴計劃執(zhí)行，在規(guī)定時間內(nèi)完成規(guī)定的工作。 指導教師簽字：

6、 2012年 3 月 日西安郵電大學畢業(yè)設計(論文)開題報告課題名稱： 多模干涉型光學耦合器的仿真設計 電子工程 學院 光電子技術(shù)系 系（部） 光信息科學與技術(shù) 專業(yè) 0801 班學生姓名： 熊杰 學號： 05083020 指導教師： 時堅 報告日期： 2012 年 3 月 日 1本課題所涉及的問題及應用現(xiàn)狀綜述近幾十年來，隨著IP業(yè)務的的迅猛發(fā)展，電信領域各種寬帶業(yè)務迅速更新，人們期待能在電信網(wǎng)上實現(xiàn)更高質(zhì)量保證的寬帶業(yè)務，光網(wǎng)絡的建設被公為是理想的解決方案。當今的光纖通信系統(tǒng)發(fā)展方向，使光學器件的開發(fā)面臨這種種問題與機遇，開發(fā)出性能不僅優(yōu)良，而且價格相當?shù)土墓鈱W器件使之大幅應用于光網(wǎng)絡通

7、信系統(tǒng)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，光耦合器按照制作工藝以及其主要結(jié)構(gòu)通常可以分為熔融拉錐型和波導型兩種類型的耦合器，波導型光耦合器因為具有尺寸小，重量較輕，而且易于集成等眾多優(yōu)點，已經(jīng)在集成光學中得到了大幅的應用。多模干涉（MMI）光耦合器作為波導性光耦合器的一種，由于具有插入損耗較低，其結(jié)構(gòu)緊湊、制作工藝簡單、頻帶較寬、對偏振不敏感以及容差性好等特點，已經(jīng)開始越來越多的應用于光纖通信系統(tǒng)中。本課題只研究多模干涉型光耦合器，通過對多磨干涉光耦合器的就夠參數(shù)的選擇，用OptiBMP設計出合理的耦合器，并通過比較不同參數(shù)時耦合器的性能而選擇出性能最優(yōu)的多模型光

8、耦合器的參數(shù)。多模型型光器件是全光通信網(wǎng)重要的組成部分，在集成光學中，大部分的大型復雜器件及小型的通信網(wǎng)絡中都有相關(guān)的應用，因此預計在國內(nèi)外的研究下將會有更先進的理論和器件的出現(xiàn)。2本課題需要重點研究的關(guān)鍵問題、解決的思路及實現(xiàn)預期目標的可行性分析關(guān)鍵問題：1.什么是多模干涉型光耦合器。2.多模干涉型光耦合器的特點。 3如何對多模干涉型光耦合器進行優(yōu)化設計。解決思路：熟悉多模干涉型光耦合器的定義及其特點，掌握其各種參數(shù)的計算方法從而求出結(jié)構(gòu)參數(shù)，用OptiBPM進行仿真設計。預期目標： 完成課題分以下幾個主要階段性目標。1經(jīng)過小組討論掌握熟悉多模干涉型光耦合器的特點，掌握各種參數(shù)的計算方法；2

9、經(jīng)過小組討論，熟悉軟件的使用方法并建模；3對多模干涉型光耦合器的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行計算，并設計出其初始結(jié)構(gòu)；4經(jīng)過修改參數(shù)，得到最優(yōu)的方案；可行性分析：方案已經(jīng)建立，方法可行。3完成本課題的工作方案2012.02.272012.03.23 1查閱相關(guān)資料，閱讀相關(guān)文獻。2012.03.232012.04.10 2了解多模干涉型光學耦合器的應用，目前的發(fā)展。2012.04.112012.04.01 3通過組內(nèi)討論，理解多模干涉原理。2012.04.182012.04.24 4利用軟件建模。2012.04.252012.05.05 5選取耦合器參數(shù)，設計多模干涉型光學耦合器2010.05.062010.

10、05.16 6對結(jié)果進行分析。2012.05.172012.05.27 7做一個關(guān)于多模干涉耦合器的應用的專題報告。2012.05.282012.06.08 8討論光波在耦合器中光能量的傳輸。2012.06.092012.06.16 9 完成一篇英文論文的翻譯。2012.06.012012.06.17 10 完成論文寫作并進行修改。4指導教師審閱意見指導教師(簽字)： 2012年 3 月 日西安郵電大學畢業(yè)設計 (論文)成績評定表學生姓名熊杰性別男學號05083020專 業(yè)班 級光信息科學與技術(shù)0801課題名稱多模干涉型光學耦合器的仿真設計課題類型實際應用難度一般畢業(yè)設計（論文）時間2012.

11、02.272012.06.17指導教師時堅(職稱 講師 )課題任務完成情況論文 (千字)； 設計、計算說明書 (千字)； 圖紙 (張)；其它(含附件)：指導教師意見分項得分：開題調(diào)研論證 分； 課題質(zhì)量（論文內(nèi)容） 分； 創(chuàng)新 分；論文撰寫（規(guī)范） 分； 學習態(tài)度 分； 外文翻譯 分指導教師審閱成績：指導教師(簽字)： 年 月 日評閱教師意見分項得分：選題 分； 開題調(diào)研論證 分； 課題質(zhì)量（論文內(nèi)容） 分； 創(chuàng)新 分；論文撰寫（規(guī)范） 分； 外文翻譯 分評閱成績： 評閱教師(簽字)： 年 月 日驗收小組意見分項得分：準備情況 分； 畢業(yè)設計（論文）質(zhì)量 分； （操作）回答問題 分驗收成績：

12、驗收教師(組長)(簽字)： 年 月 日答辯小組意見分項得分：準備情況 分； 陳述情況 分； 回答問題 分； 儀表 分答辯成績： 答辯小組組長(簽字)： 年 月 日成績計算方法指導教師成績 20 () 評閱成績 30 () 驗收成績 20 () 答辯成績 30 ()學生實得成績(百分制)指導教師成績 評閱成績 驗收成績 答辯成績 總評 答辯委員會意見畢業(yè)論文(設計)總評成績(等級)：學院答辯委員會主任(簽字)： 學院(簽章) 年 月 日備注目錄摘要12Abstract131引言11.2本文內(nèi)容簡介12 光纖中光的傳播22.1幾何光學法22.2.波動光學法33 波分復用光傳輸技術(shù)73.1波分復用的

13、基本概念73.2光波分復用的優(yōu)點73.3 WDM的基本原理74多模干涉原理84.1概述84.2多模干涉器件原理84.3 MMI耦合器的性能指標84.3.1插入損耗84.3.2附加損耗84.3.3分光比94.3.4均勻性94.3.5偏振相關(guān)損耗94.3.6隔離度94.4多模干涉耦合器光場的討論105 波導器件傳光的基本原理125.1平板光導波傳光原理125.1.1平板光波導的結(jié)構(gòu)及簡單傳輸原理125.1.2平面波導中模的基本概念125.1.3模式本征方程135.2平面光波導的主要性能145.3光波導的耦合分析155.3.1耦合模式方程156波導開關(guān)器件156.1定向耦合光開關(guān)166.2、MMI光

14、開關(guān)166.3 MMI型2波長波分復用器176.4 MMI型陣列波導光柵復用器/解復用器187 仿真及其分析197.3分析總結(jié)：257.4一個簡單的MMI耦合器的級聯(lián)：25致謝31參考文獻32譯文33摘要隨著光通信的迅猛發(fā)展，人們對網(wǎng)絡帶寬的要求越來越高，傳統(tǒng)的光通信已經(jīng)不能滿足人們的通信需求。而波分復用技術(shù)是解決光通信的容量和速率的最佳解決方案。多模干涉型（MMI）光耦合器因其結(jié)構(gòu)緊湊，頻帶寬以及對偏正不敏感等特性而成為為波分復用技術(shù)最主要的器件，越來越多得應用于光通信中了。本文首先用幾何光學法和波動光學法介紹了光在光纖中的傳播，然后簡單闡述了光的波分復用技術(shù)，然后討論了多模干涉的原理，再進

15、一步的討論了波導器件傳光的基本原理，最后通過對簡單的MMI型耦合器的仿真，對其中光場的分布進行了實驗和討論。從實驗中得到包層折射率、波導折射率和波導長度及寬度對光場分布的影響。從而根據(jù)參數(shù)的選擇來設計出適合各種場合的多模干涉型器件。關(guān)鍵詞：光的傳播、波分復用、多模干涉、波導器件、MMI耦合器AbstractWith the rapid development of optical communication, the high demand for network bandwidth increasingly, traditional optical communication cannot

16、meet the peoples communication needs. WDM technology is the best solution to solve the capacity and rate of optical communication. MMI (MMI) optical coupler because of its compact structure, frequency bandwidth, and do not sensitive to Polarization characteristics is the most important devices for w

17、avelength division multiplexing technology, more and more MMI was used in optical communications.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 t

18、hen discuss the principle of multi-mode 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 t

19、he cladding, the waveguide refractive index and waveguides length and width affect the optical field distribution. Thus the selection of parameters to design the multimode interference devices for all occasions.Key words: the light propagation, wavelength division multiplexing, multi-mode interferen

20、ce waveguide devices, MMI coupler多模干涉型光耦合器的仿真設計1引言隨著光通信系統(tǒng)朝著高速率、大容量的方向發(fā)展，開發(fā)出性能優(yōu)良的集成光學器件已成為人們迫切的需要。多模干涉型光學耦合器相比于傳統(tǒng)耦合器具有結(jié)構(gòu)緊湊，頻帶較寬以及對偏振不敏感的特性，已經(jīng)得到了越來越廣泛的應用。課題研究的目的和意義近年來隨著電信通信業(yè)務的不斷發(fā)展，人們希望能有高質(zhì)量的寬帶，而光網(wǎng)絡的建設被認為是最理想的解決方案。在長距離的光信號傳輸中，世界范圍內(nèi)出現(xiàn)了干線網(wǎng)絡建設的熱潮，傳輸帶寬和容量都在快速的發(fā)展。在接入網(wǎng)領域，隨著寬帶接入用戶對視頻業(yè)務、VOD、IPTV及互動游戲等極占帶寬的業(yè)務需

21、求的不斷增長，對帶寬的需求也在呈現(xiàn)出不斷增長的趨勢。用戶需求調(diào)查顯示，為了滿足上述用戶的需求，高端用戶的下行接入需求將達到20MB30MB，而到2050時將會更高，將達到50MB100MB的帶寬需求，這顯然是目前依托電話線的ADSL所能提供的2M3M的帶寬所不能完成的。因此對以無源光網(wǎng)絡（PON）等技術(shù)為支持FTTH等光線接入技術(shù)的需求無疑是一種機遇和挑戰(zhàn)。隨著光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展，光器件的需求無疑也是巨大的，對其發(fā)展也是一種機遇和挑戰(zhàn)，如何開發(fā)出性能優(yōu)良、價格低廉的光器件已成為我們所需要解決的首要問題。在光通信所用的各種器件中，光耦合器是一種能使傳輸中的信號在特定結(jié)構(gòu)區(qū)域內(nèi)發(fā)生耦合，再進行分配

22、的器件。正是由于它的這種特性，從波分復用（WDM）系統(tǒng)到無源光網(wǎng)絡（PON）系統(tǒng)，光耦合器具有不可替代的地位。1.2本文內(nèi)容簡介本文主要介紹了光在光纖中傳播時所用的波分復用技術(shù)及對多模干涉型耦合器的原理和其中的光場的一些討論。1.2.1引言：主要介紹了課題研究的相關(guān)背景、目的、意義以及簡單的介紹了多模干涉型光耦合器的優(yōu)點。1.2.2本章主要介紹了光在光纖中的傳播，用幾何光學法和波動光學法對其進行分析。1.2.3本章主要介紹了波分復用傳輸技術(shù)，從其概念、優(yōu)點和原理對其有一個簡單的認識。1.2.4.本章主要介紹了多模干涉原理，以及對多模干涉的光場進行了討論，介紹了MMI耦合器的性能指標。1.2.5

23、.本章主要通過對波導器件傳光原理及其結(jié)構(gòu)的介紹，以及對模式本征方程的分析1.2.6.本章主要介紹了光波導開光器件，主要對MMI耦合器的分析。1.2.7.本章主要是對仿真結(jié)果的分析和討論。2 光纖中光的傳播使用光波來通信已經(jīng)有五千多年的歷史了。在古代，人們就通過控制燈光的明滅來傳送信息，近年來，隨著光纖以及諸多光器件的出現(xiàn)，光纖通信已經(jīng)成為長距離寬帶通信的核心技術(shù)。隨著傳輸帶寬用量需求的巨大增長，尤其是因特網(wǎng)上傳輸數(shù)據(jù)的快速增長，人們對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、安全性高的獨一無二的特點，所以光纖通信是滿足這種帶寬需求的最佳方案。光在光纖中的傳播分析方法有幾

24、何光學法和波導光學法。2.1幾何光學法光在光纖中的傳播可以用簡單的幾何光學原理來說明。光纖的結(jié)構(gòu)包括3層：纖心、包層以及最外面起保護作用的涂覆層。纖心和包層的折射率分別是和，空氣的折射率為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，這樣才會產(chǎn)生內(nèi)全反射。假設光線入射的角度為，折射角為，在光纖內(nèi)部光線從纖心到包層的入射角是。則在光纖中能發(fā)生全反射的最小角度為 (2.1-1)當光線以臨界角入射時，入射角記為，根據(jù)幾何關(guān)系，可以用和來表示由和可知： (2.1-2)稱為光纖的數(shù)值孔徑（NA），是光纖的接收角。當入射角時，光線在纖心中和包層界面上發(fā)生內(nèi)全發(fā)射，因而光線在光纖中傳播時不會有嚴

25、重的衰減；然而，當時，光線在纖心和包層的界面上會發(fā)生能量泄露，造成嚴重的衰減。這就是幾何光學關(guān)于光線在光纖中傳輸?shù)幕驹恚捎诠饫w很長，光在傳播中會發(fā)生很多次的全反射，為了保證衰減，我們需要百分之百的全反射，因為每次反射中的一小點衰減在多次反射后將導致巨大的衰減。假設光纖長為，當入射角，光線穿過光纖的最短時間為，從理論上可以給出 (2.1-3)當光線以臨界角入射穿過光纖時需要花費的時間最長，為。在這種情況下，光線在光纖中的傳播距離為 (2.1-4)因此，最大的傳播時間為： (2.1-5)上訴兩種光線傳播的時間差為 (2.1-6)值得注意的是，傳播時間差從根本上限制了傳送信息的最大帶寬。為了避

26、免不同傳播時間的信息相互混淆，最大帶寬為 (2.1-7)2.2.波動光學法由于光纖的橫向尺寸與光的波長相比擬，因而需要更為精確的波動光學理論來分析，尤其是模式理論，才能解釋在光纖中發(fā)生的現(xiàn)象。波動光學法是從著名的麥克斯韋方程出發(fā)。光纖時絕緣介質(zhì)，因此其自由電荷密度是，傳導電流密度。另外還可以假設光波是簡諧振蕩波，對這一線性系統(tǒng)，一般可以用基于傅里葉變換的加權(quán)求和來處理，在這些假定下，準單色光場的電場滿足下面的波動方程： (2.2-1)其中是波數(shù)，是角頻率，是真空中的光速， 是光纖的材料折射率，它是角頻率的函數(shù)，即。2是拉普拉斯算子，由于光纖的圓柱對稱性，所以在柱坐標下解（2.2-1）很方便，為

27、了方便，首先處理電場在軸的分量，這時（2.2-1）變?yōu)椋?（2.2-2）在柱坐標下，（2.2-2）式可以可以寫成： (2.2-3)式（2.2-3）是一個偏微分方程，包括三個變量，既然是線性微分方程，可以通過變量分離法求解，可假設 （2.2-4） 把式（2.2-4）帶入式（2.2-3），可以得到下面三個方程： (2.2-4-1) (2.2-4-2) (2.2-4-3)其中是整數(shù)，是常數(shù)。式 (2.2-4-1)的解是，它描述了光波是如何在軸方向傳播的，一般稱為傳播常數(shù)。式(2.2-4-2)的解是 ，它描述了光場在角向是如何變化的，由于角函數(shù)的周期性，即必須是一個整數(shù)。式(2.2-4-3)很復雜，對

28、階躍折射率光纖可以得到一個解析式，階躍光纖的折射率分布可以描述為： （2-2-5）其中是纖心的半徑，將（2.2-5）帶入到 (2.2-4-3)，得到下面的方程組：, (2.2-5-1) (2.2-5-2)為了簡化 (2.2-5-1)和 (2.2-5-2)，我們將定義兩個新的常數(shù)：；將新定義的常數(shù)帶入 (2.2-5-1)和 (2.2-5-2)，將得到：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)： (2.2-6)其中是階一類貝塞爾函數(shù),是階二類貝塞爾函數(shù)，是階二類修正貝塞爾函數(shù)，是階一類修正貝塞爾函數(shù)，是常數(shù)。當時，但是光不能無窮大，必須為，同樣必須為，這樣就可簡化為： (2.

29、2-7)把式（）（即式 (2.2-4-1)的解）、（）（(2.2-4-2)的解）、（2.2-7）代入（2.2-4）式，可以得到光場的最終解為： 或 (2.2-8)然后通過麥克斯韋方程可求的利用纖心和包層表面的邊界條件可以求的常數(shù)和，此邊界條件在數(shù)學上可表示為： （2.2-9）將（2.2-8）代入（2.2-9），可得： 將這兩式相除，得：；該式稱為色散關(guān)系。將代入上式得： （2.2-10）該式?jīng)Q定了傳播常數(shù)的可能值：（1）因子描述了光在軸方向的傳輸，稱為傳播常數(shù)。對于沒有衰減的傳播，應為實數(shù)，為了簡單，假設光僅在一個方向傳輸，那么對于選定的方向，必須滿足；（2）由條件和知；由條件和知，那么的約束

30、條件為；（3）把其約束條件兩邊同乘以有：；定義為光場傳播常數(shù)為的光纖的有效折射率，那么，有效折射率的值應該是介于之間的；（4）如果給定一個的值，將可以求的一系列的的值，用標記，那么對于不同和的值，將得到許多可能的傳播常數(shù)，因為和是整數(shù)，所以是一系列離散的數(shù)值，每一個將對應于一個傳播模式；（5）為了得出光纖中傳播的模式數(shù)，首先定義歸一化頻率當時，的解是唯一的，也就是說光纖里面只有一個模式的波傳播，當更大時，光纖中的模式數(shù)約為。3 波分復用光傳輸技術(shù)3.1波分復用的基本概念波分復用是光纖通信中的一種傳輸技術(shù)，它利用了一根光纖可以同時傳輸多個不同波長的光載波的特點，把光纖可能應用的波長范圍劃分為若干

31、個波段，每個波段用作一個獨立的通道傳輸一種預定波長的光信號。通常將波分復用簡寫為WDM，光波分復用的實質(zhì)是在光纖上進行光頻分復用。3.2光波分復用的優(yōu)點3.2.1.WDM是目前解決通信容量危機的最佳選擇方案。WDM系統(tǒng)利用已經(jīng)敷設的光纖，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的基礎上成百上千倍的增加。3.2.2.降低建設與營運的成本。WDM系統(tǒng)中的光纖放大器直接將輸入的光信號進行放大，無需實現(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波分復用的光信號時，WDM的所有波長的光信號一起得到放大，在每一個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

32、之一。3.2.3.綜合現(xiàn)有網(wǎng)絡的不同技術(shù)的最佳解決方案。WDM技術(shù)具有靈活方便的優(yōu)點，由于WDM系統(tǒng)各信道上傳輸?shù)男盘柨梢跃哂斜舜霜毩⒌谋忍芈屎腕w系。3.3 WDM的基本原理WDM技術(shù)是為了充分利用單模光纖低損耗區(qū)帶來的巨大帶寬資源，根據(jù)每一個信道光波的頻率9（或波長）不同可以將光纖的低損耗窗口劃分為若干個信道，把光波作為信號的載波，在發(fā)送端采用波分復用器（合波器）將不同規(guī)定波長的信號合并起來送入一根光纖進行傳輸，在接收端再由另一波分復用器（分波器）將這些不同波長承載不同信號的光載波分開。由于不同波長的光載波信號可以看做相互獨立，從而在一根光纖中可實現(xiàn)多路光信號的傳輸復用。雙向傳輸?shù)膯栴}可以將

33、兩個方向的信號分別安排在不同波長傳輸即可解決。根據(jù)波分復用器的不同，可以復用的波長數(shù)從2個至數(shù)百個不等。WDM本質(zhì)上是光域上的頻分復用（FDM）技術(shù)，每個波長通路通過頻域的分割來實現(xiàn)，每個波長通路占用一段光纖的帶寬。4多模干涉原理4.1概述近年來，隨著集成光學的發(fā)展，多模干涉耦合器件在集成光路中的應用日益引起了人們的關(guān)注。值較大的型耦合器有很多重要的應用，這些應用包括集成光開光、多信道上下路光復用器、相位陣列波分復用/解復用器等。器件通常應用在高折射率差材料構(gòu)成的光路中，因為在強制條件下成像的質(zhì)量比較高。4.2多模干涉器件原理多模干涉耦合器的主要結(jié)構(gòu)是可以同時傳輸多個模式（一般大于3個）的多模

34、波導。為了使光能夠輸入以及輸出多模波導，還必須有一些輸入輸出波導（一般為單模波導）放置在多模波導的起始端和終止端。具有這種結(jié)構(gòu)的耦合器件稱為多模干涉耦合器。 4.3 MMI耦合器的性能指標光耦合器是一種無源器件，出來一般的無源器件的參數(shù)對它適用以外，還有一些能體現(xiàn)自身特點的參數(shù)，雖然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。4.3.1插入損耗對于耦合器來說，插入損耗定義為指定輸出端口的光功率相對全部全部輸出光功率的減少值，該值通常用分貝（dB）來表示： （4.3.1）其中是第個輸出波導的輸出損耗，是第個輸出波導測得的光功率，是由輸入波導輸入的光功率。4.3.2附加損耗附加損耗定義為

35、 所有輸出端口的光功率總和相對于全部輸入光功率的減小值，其單位為分貝表示為： （4.3.2）需要注意的是，對于光耦合器而言，附加損耗反應的是器件設計及制作過程中所產(chǎn)生的固有損耗，而插入損耗則表示各個輸出端口輸出功率的情況，不僅有固有損耗的因素，還應該考慮分光比的影響。因此不同種類的光耦合器之間，插入損耗的差異并不能反映設計及制作質(zhì)量的優(yōu)劣。4.3.3分光比分光比是光耦合器所特有的技術(shù)術(shù)語。它定義為耦合器各輸出端口的輸出功率的比值，在具體應用中常用相對輸出總功率的百分比來表示： （4.3.3）例如對于標準的型耦合器，1:1或者50:50代表了同樣的分光比，即它們均是輸出為均分的器件，在實際工程中

36、通常需要各種不同分光比的器件，這就可以通過控制制作過程來改變波導的結(jié)構(gòu)來得到。4.3.4均勻性對于要求均勻分光的耦合器（例如1:1耦合器），均勻性就是用來衡量均勻器件“不均勻程度”的參數(shù)。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。其數(shù)學表達式為： （4.3.4）4.3.5偏振相關(guān)損耗偏振相關(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： （4.3.5）在實際應用中，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。4.3.6

37、隔離度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，其表達式為： （4.3.6）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?！?】4.4多模干涉耦合器光場的討論由于全模式分析法比較復雜，而且在實際中，可以忽略輻射膜，因此我們將采用導模傳輸分析法，在僅考慮導模的情況下，輸入場可以寫成個導模的線性疊加： （4.4-1）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)導模分析法，光場在多模波導任一截面的分布可以寫成所有導模的線性疊加，表示為：

38、（4.4-2）將（4.4-2）提出公因式，其模恒等于1，則（4.4-2）可寫為： （4.4-3）在多模波導區(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不同位置處光場橫向分布和多模波導起始端(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)，（4.4-3）可改寫為： （4.4-4）依據(jù)上式可得到多模波導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

39、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，便可推導多模波導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)倍多模波導終端，得到的是和輸入場關(guān)于多模波導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)于多模波導的中線對稱分布，相位相差。重像長度為處得到

40、。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，當模次時， 場激勵系數(shù)必須將輸入波導關(guān)于或?qū)ΨQ設置，其中為多模波導有效寬度。在處，模次為的模次光場的場強為且關(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)倍的多模波導的終端，得到的是輸入光場的單個像。其中, 當長度為奇數(shù)倍時， 多模波導終端得到的是和輸入場關(guān)于多模波導中線成軸對稱的反演像；當長度為偶數(shù)倍時，多模波導終端得到輸入場的正像。在長度為奇數(shù)倍的多模波導終端，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

41、干涉耦合器中，當模次時，場激勵系數(shù)。為實現(xiàn)這一要求，輸入波導必須設置為關(guān)于多模波導中線對稱。當模次為的模式關(guān)于多模波導中線奇對稱，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)倍的多模波導終端得到反演像和輸入場關(guān)于多模波導中線成軸對稱；在長度為偶數(shù)倍的多模波導的終端得到輸入場的正像。在長度為奇數(shù)倍的多模波導終端，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

42、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置多模干涉耦合器輸出波導。比較上述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，但要達到這種結(jié)構(gòu)緊湊的要求需要嚴格的輸入波導設置。5 波導器件傳光的基本原理5.1平板光導波傳光原理5.1.1平板光波導的結(jié)構(gòu)及簡單傳輸原理平板光波導是一種非常重要的波導，它是集成光學器件的基礎，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里面?zhèn)鞑?，應該滿足對于的波導，通常

43、稱為對稱平面波導；對于的波導，通常稱為非對稱平面波導。光在平面波導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內(nèi)傳輸，其折射率應滿足從光密介質(zhì)進入光疏介質(zhì)時，存在一個產(chǎn)生全反射的臨界角，當光線入射角小于臨界角時，光線將從光密介質(zhì)進入光疏介質(zhì)，僅當光線入射角大于臨界角時才可能在界面上產(chǎn)生全反射。5.1.2平面波導中模的基本概念假設波導是二維均勻波導，且各層材料是各向同性的，入射光是平面波，假設分別是波導和覆蓋層以及波導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，那么光在波導薄膜上下界面均不發(fā)生全反射，因此，將有

44、一部分光折射進覆蓋層和襯底層，輻射出波導，這種模式稱為輻射模；（2）如果滿足在在波導和覆蓋層的臨界面上發(fā)生全反射，在波導和襯底臨界面上發(fā)生部分反射，這樣仍有一部分光波折射進襯底，這種模式稱為襯底輻射模；（3）波導薄膜內(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薄膜里傳播，傳播路徑成鋸齒型，這種模式稱為導波模式或?qū)?，即光受到波導薄膜的引導而傳播?.1.3模式本征方程光在平板波導中傳輸?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 襯底圖5.1.3-1上發(fā)生全反射而在薄膜中沿字形路徑傳播的圖像，對應著導引?；?qū)Ｔ趫D5.1.3-1所示的坐標下，假

45、設在波導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，所以理論上認為平板波導的幾何結(jié)構(gòu)和折射率分布沿該方向是不變的，也可以進一步認為光場沿該方向是不變的，于是可以看出，波導內(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： （5.1.3-1）其中前的正負號分別對應于斜向上和斜向下傳播的平面波。既然在波導內(nèi)

46、存在兩個方向相反的平面波，那么，由波動光學可知，它們將形成駐波。這就是說在波導內(nèi)每來回一次全反射，都可以再波導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： （5.1.3-2）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（在波導理論中

47、通常稱為波）為例，由式（5.1.3-1）決定： （5.1.3-3） （5.1.3-4）方程（5.1.3-2）稱為平板導波的模式本征方程，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的關(guān)系。在導波光學中，通常稱為等效折射率，則 （5.1.3-5）（1）當膜厚度一定時，對于給定的，只有一個確定的與之對應，因此也只有一個確定的比值與其對應。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)，所以平板波導所能維持的波導數(shù)量也是有限的；（2）對于一定的模式，存在一個最小膜厚度（

48、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。5.2平面光波導的主要性能平面光波導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，凡是滿足全反射條件入射而保持在波導里傳輸?shù)墓猓覀兌紝⑵湟暈椴▽У囊粋€傳輸模式，而且在一定的波長下，隨著波導厚度的增加所允許傳輸?shù)膶?shù)量也增加。對于一定波長的光來說，當非對稱波導的厚度下降到某一值后，光波不能再在波導里傳輸，我們把波導層的這一厚度稱為波導截止厚度；對于給定的波導厚度，當波長增加到一定長度時，光波將不能在波導里傳播，我們稱這時的波長為導模的截止波長，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)。的導模稱為基模。當波導內(nèi)只允許有基模傳輸時，我們把這一波導稱為單模波導。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，波導的厚度與寬度以及它周圍介質(zhì)折射率差大小決定波導傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)。（宋豐華 現(xiàn)代光電器件技術(shù)及應用 北京 國防工業(yè)出版社 ，2004.7 3135）5.3光波導的耦合分析在實際應用中，常常需要將一個光波