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空间交叉波导耦合特性分析

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空间交叉波导耦合特性分析 毕业论文 64页 22822字 包括开题报告 文献综述 任务书 外文翻译 程序 电路图 答辩记录等)

摘要:三维集成光学在保持二维集成光学的可靠性和结构稳定性基础上,可有效扩大单个芯片上的通信信道数,增加集成密度,缓和二维平面结构的路由困难及大量输入输出光纤连接或电子连接困难等问题,有着广泛的应用前景。
利用空间波导可以方便、有效地实现不同层间器件的互连,而空间波导的交叉可以大幅度节约器件的规模。人们做了大量的尝试来开发空间交叉波导耦合器件。空间交叉波导耦合特性分析对空间交叉波导的设计和应用有着重要的理论指导意义。
本文提出一种基于微扰理论的等效光纤法分析空间交叉波导耦合特性, 并用三维全矢量光束传输法验证了分析结果,分析结果表明等效光纤法具有精度高、运算速度快等优点。为基于空间波导的三维集成光学器件的设计和分析提供理论基础。
关键词:三维集成光学;空间交叉波导;微扰理论;耦合特性




Analysis the Coupling Characteristics of Spatial-crossing waveguide

Abstract: Taking the reliability and structural stability of two-dimensional integrated optics as a base, three-dimensional integrated optics effectively expands the signal communication channel on a single-chip, increasing ration density and alleviates many difficulties, such as router of two-dimensional planar structure, the connection of numerous input &output optical fibers/electronic connection. It has great potential application.
By using spatial waveguides, it becomes easy to realize the connection between different-level devices, and the spatial crossing waveguide can greatly reduces the scale of device. A number of attempts have been made to develop vertically coupled crossing waveguide devices. Analysis the coupling characteristics of spatial -crossing waveguide is of important guiding significance of the theory to the waveguide design and application.
Analysis of spatial-crossing waveguides based on the perturbation theory and the three-dimensional full-vector beam propagation method is used to verify the analytical results. Computed results show that this proposed method is more convenient compared with other numerical methods. The analysis is extremely useful in the accurate design of three-dimensional integrated optical devices based on spatial-crossing waveguides.
Keywords: three-dimensional integrated optics; spatial-crossing waveguide; the perturbation theory; the coupling property
Classification: TN256


目次

摘要: I
目次 III
1引言 1
1.1空间交叉波导的发展与现状 1
1.2空间交叉波导的意义 1
1.3课题研究方案及措施 1
1.3.1 MATLAB软件简介 2
1.3.2 BEAMPROP软件简介 2
1.4光纤的简介 3
2 交叉波导的基本结构及其工作原理 5
2.1交叉波导的结构 5
2.2光波分复用技术 7
2.3双向波长上下路光分插复用器 8
3 交叉波导耦合特性研究 9
3.1平面波导与空间波导的区别 9
3.2定向耦合器 9
3.3耦合系数和长度的计算 10
3.3.1微扰理论 10
3.3.2耦合长度的计算过程 13
3.3.3利用MATLAB软件编写程序计算出理论值 15
3.3.4利用BeamPROP软件验证计算的结果 16
4结论 17
参 考 文 献 18
附录A:程序源代码 19
附录B:程序源代码 22
学位论文数据集 23

1引言
1.1空间交叉波导的发展与现状
光纤通信发展的目标是提高通信能力和通信质量,降低价格,满足社会需要。进入20世纪90年代以后,光纤通信成为一个发展迅速、技术更新快、新技术不断涌现的领域。随着光通信技术的不断发展,信道密度的迅速增加和数据传输速率的不断提高,开发具有更高质量、更窄信道间隔的器件已成为一种发展趋势。
集成光学经过三十多年的发展已取得令人瞩目的成就[1~4],然而传统集成光学器件,其结构绝大多数是基于二维平面制作的,也就是说,它一般只能处理零维(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[5]。三维集成光学在保持二维集成光学的可靠性和结构稳定性基础上,可有效扩大单个芯片上的通信信道数,增加集成密度,缓和二维平面结构的路由困难及大量输入输出光纤流量。
集成光学器件随着光通信技术的快速发展而成为热点。在集成光学器件中,交叉问题是非常重要的,经常需要波导交叉来实现复杂的光信号处理和交换等功能。交叉波导作为集成光学中一种重要的基本器件单元,它的应用包括光开关、能量分配器、交叉光路网络等。对交叉波导的研究,目的是尽量减小器件的损耗和串扰,同时又能够满足器件设计的尺寸要求。

1.2空间交叉波导的意义
空间交叉波导由不在同一平面的两根直波导组成,两波导之间的夹角为,不同于平面交叉波导。正如平面交叉波导是二维集成光学器件的基本结构单元,空间交叉波导是构成垂直耦合光分束器、垂直耦合光滤波器、垂直耦合光开关和垂直耦合上/下复用器(Add-Drop Multiplexer)等三维集成光学器件的基本结构单元。开展三维集成光学器件应用基础研究,不仅在学术上有科学意义,在光通信器件研究等领域也是非常有应用前景的。
1.3课题研究方案及措施
对于复杂的波导器件结构,有限差分光束传播算法(FD-BPM)是一种有效的分析方法。它能够在统一格式下同时处理导模和辐射模;能有效地分析沿传播方向结构变化的器件,同时又能给出光场在器件中的详细分布。因此此算法适合阵列波导光栅、交叉波导等的设计分析。在本课题的计算数据从程序和模拟防真中得来,主要是用MATLAB软件计算出耦合长度,再由BEAMPROP模拟仿真软件更直观简单的验证耦合长度首先要做的是掌握空间交叉波导的基本结构及其工作原理;了解空间交叉波导常用的分析方法及其光纤通信系统中的应用;建立空间交叉波导耦合特性分析模型,编相关的分析软件;分析空间交叉波导的耦合特性;采用束传播分析法,验证分析结果。
1.3.1 MATLAB软件简介
MATLAB[6]是矩阵实验室(Matrix Laboratory)之意。除具备卓越的数值计算能力外,它还提供了专业水平的符号计算,文字处理,可视化建模仿真和实时控制等功能。MATLAB的基本数据单位是矩阵,它的指令表达式与数学,工程中常用的形式十分相似,故用MATLAB来解算问题要比用CFORTRAN等语言完相同的事情简捷得多。在新的版本中也加入了对CFORTRAN,c++ ,JAVA的支持。可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用,此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序,用户可以直接进行下载就可以用,非常的方便。MATLAB的基础是矩阵计算,但是由于他的开放性,并且mathwork也吸收了像maple等软件的优点,使MATLAB成为一个强大的数学软件。
当前流行的MATLAB 6.5/7.0包括拥有数百个内部函数的主包和三十几种工具包(Toolbox)。工具包又可以分为功能性工具包和学科工具包。功能工具包用来扩充MATLAB的符号计算,可视化建模仿真,文字处理及实时控制等功能。学科工具包是专业性比较强的工具包,控制工具包,信号处理工具包,通信工具包等都属于此类。开放性使MATLAB广受用户欢迎。除内部函数外,所有MATLAB主包文件和各种工具包都是可读可修改的文件,用户通过对源程序的修改或加入自己编写程序构造新的专用工具包。 这次我们用到MATLAB工具箱是,数值积分工具箱,增强MATLAB的积分功能。
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