空间多波导耦合特性的研究_电子论文

（空间多波导耦合特性的研究 毕业论文 78页23051字包括正文30页包括开题报告文献综述任务书外文翻译）
摘要：到目前为止，绝大多数集成光学器件是基于二维平面制作的，也就是说，它只能处理零维（点）或一维（线）空间的光信号，而在实际应用中存在大容量数据流、图像处理、神经网络、光学并行逻辑运算和集成电路芯片的光互连等需要的是二维空间（平面）的光信息处理。集成光学要适应这些应用领域，必须发展三维集成光学器件。
不在同一平面的空间多波导中光耦合发生在横截面两个方向，利用空间多波导可以方便、有效地实现不同层间器件的互连。本文将平面波导耦合模理论推广到空间多波导之间的耦合，在弱耦合条件下给出了空间多波导的耦合方程。利用该耦合方程对三维集成光学器件中常见的空间三波导和空间四波导的耦合特性进行分析，得出光强分布及耦合长度的解析表达式，并用三维全矢量光束传输法验证了分析结果。分析结果表明利用空间多波导可以实现水平和垂直两个方向上的均匀或非均匀分束，为利用空间多波导之间相互耦合的三维定向耦合器件的设计和分析提供理论基础。
关键词：空间多波导；耦合特性；集成光学
中图分类号：TN256

Charateristic Analysis of Spatial Multiwaveguide System
Abstract：Up to now, most of integrated optical waveguide devices are realized in planar structures. It means that these devices can only be applied to process the input/output signal through one-dimensional (1D) interconnect channels. In fact, many applications, such as large data streams, image manipulation, artificial vision, nerve networks and optical calculation need two-dimensional (2D) spatial optical signal processing. To meet those demands, we should develop integrated optical devices employing three-dimensional (3D) structures, which exhibiting a higher level of integration and new functionality for both sensor and telecommunications.
The coupling among waveguides on different planes occurs in both transverse and vertical directions. Using the spatial multiwaveguide system, we can interconnect devices in different layers, effectively. Based on the weakly coupled mode theory, the coupled-mode equations of the spatial multiwaveguide system are presented in general. As an application example, the coupled-mode equation is applied to analyze the coupling properties in spatial three- and four-waveguide systems. The analytical intensity distributions in the two specific cases are given, and the three-dimensional full-vector beam propagation method is used to verify the analytical results. The analysis result shows that the spatial multiwaveguide system permits uniform or nonuniform power splitting in two transverse directions. These analytical formulas are useful in designing three-dimensional directional couplers. Applications of the spatial multiwaveguide coupling systems include spatial light modulators, optical switches, optical interconnection, and spatial optical signal processing.
Key words: spatial multiwaveguide system; coupling property; integrated optics。
Classification：TN256

目次
摘要 Ⅰ
目次 Ⅲ
1. 引言 1
1.1 空间多波导耦合的发展史 1
1.2 空间多波导耦合的研究意义 1
1.3 三维集成光学的应用 2
1.3.1 用旋涂法制作的空间定向耦合器 2
1.3.2用键合法制作的空间定向耦合器 2
1.3.3用垂直倾斜波导连接的基于Y分支的空间定向耦合器 3
1.3.4 飞秒激光直写技术制作的基于Y分支的空间定向耦合器 4
1.4 BeamPROP软件 4
2. 定向耦合器 6
3. 空间多波导方程 8
3.1 空间多波导方程的计算 9
4. 空间多波导耦合 11
4.1 空间三波导 11
4.2 空间四波导 18
5. 结论 24
参考文献 25
作者简介 26
学位论文数据集 27

1. 引言
1.1 空间多波导耦合的发展史
日渐成熟的三维加工技术 ,使得集成光学从平面波导器件逐步走向三维集成的空间波导器件,如多模干涉器件[1]和垂直型的光学开关[2]。三维光学器件所具备的尺寸小、空间利用率高、信道密集以及高传输容量等诸多优点而备受青睐。二维分布的空间四波导系统[3]是由常见的定向耦合器向垂直方向的空间拓展而得出的最简单空间结构,可以支持多种集成光学器件,包括光功率合成分配器、调制器、光开关[4]等多种器件。如对二维多模干涉光功分器的实验验证[5],L. Friedrich 利用UV写入和旋涂等成熟的集成工艺实现 4×4双层方向空间耦合器,这些成果为三维集成的研究提供了有力实验支持。LiJian采用 Galerkin 方法解矢量波动方程对二维分布的空间四波导的传输特性进行了分析 ,他们大多数利用的是数值方法 ,如有限差分直接求解波动方程方法等 ,处理四波导问题时数据量很大 ,而且收敛性差, 完整的理论模型尚需建立。
许多研究机构正在探索在新型材料上的波导制造方法。目前，有机无机混合纳米材料的空间光波导已研制成功，兼具有机与无机材料的优点，如性能稳定可靠、加工容易、能依需求调控光学性能等。由于新材料具有感光特性，在制造工艺上以显影方式直接做出的导光线路，将能进一步应用以低成本的简单工艺，更可大幅减少器件制造商的设备投入成本。
由于集成光学器件的发展，光波导耦合理论得到了进一步的发展，有两种具有代表性的理论，一种是1986年由Hardy和Streifer提出了矢量理论，后来由Haus和Chuang分别对这种理论做了进一步的完善；另一种是1988年由Syms和Peall提出的标量理论。这些理论方法对光波导的耦合问题，特别是锥形结构的光波导耦合做了较为准确的描述。1990年Huang进一步用Haus矢量分析方法，对非平行双波导锥形耦合器做了进一步的理论研究。尤其对波前倾斜效应和能量转化做了较为深入的分析计算，但这些分析方法都是把非平行波导的几何图形的变化转化成折射率的变化，分析和计算比较复杂，一般都是给出数值结果[7]。

空间多波导耦合特性的研究

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