| （多模干涉耦合器一般成像特性的理论研究 毕业论文 76页 27228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：基于自映像效应的多模干涉(MMI)型集成光学器件具有结构紧凑、插入损耗低、频带宽、制作工艺简单和容差性好等特点，应用前景非常广泛。除了构成基本的M×N（M、N可以取不同的整数）耦合器，直接实现光功率分配、二波长分离和合成等功能之外, 还可以构成MMI型阵列波导复用器/解复用器、多模干涉马赫-曾德尔光开关等多种光通信器件。总之，多模干涉耦合器几乎参与到了每一个复杂的器件或小系统中，它是集成光学中重要的组成部分。 本论文概述了多模干涉耦合器的结构、工作原理及其应用，重点阐述了导模传输分析法，最后，根据多模干涉耦合器的自映像原理，详细介绍了多模干涉耦合器的一般成像特性，并用导模传输分析法验证其正确性，根据成像位置的表达式和成像规律得出任意输入场位置和位置数对应的成像位置和规律，为多模干涉耦合器的设计提供了理论基础。 关键词：多模干涉（MMI）耦合器；自映像效应；导模传输分析法；一般成像；成像位置. Theoretical Study of General Self-imaging Properties in Multimode Interference Couplers Abstract：Multimode interference (MMI) couplers based on self-image effect have gained great attention, because of their many advantages，such as compact size，wavelength and polarization insensitivity，a large fabrication tolerance and low loss. In addition to a basic M×N (M, N can take different integer) coupler, to achieve optical power distribution, and the wavelength separation of functions directly, but can also composes MMI-AWG multiplexer/demultiplexer, MMI Mach-Zendeer optical switches and other optic communications devices. In short, MMI couplers have arrived at every complicated component and small optical system. It is important in the integrated optical components. This thesis summarizes the structure and principle of multimode interference couplers and their application, mainly describes the analytical method of guidemode transmission. Finally according to MMI coupled with the principle of self-image, details the general imaging characteristic of multimode interference couplers, based on expression of imaging position and imaging characteristic, educes the imaging position and characteristic of random input-field position and position number, offers the elements of multimode interference couplers design. Keywords：multimode interference(MMI) coupler; self-image effect; the analytical method of guidemode transmission; general imaging; imaging position Classification：TN256 目次 摘要 I 目次 III 1 引言 1 1.1多模干涉耦合器的研究背景及现状 1 1.2多模干涉耦合器一般成像特性的研究意义 2 1.3课题研究方案及措施 2 1.3.1多模干涉耦合器常用的分析方法 2 1.3.2 BEAMPROP软件简介 3 2 多模干涉耦合器概述 4 2.1多模干涉耦合器的结构 4 2.2多模干涉耦合器的主要原理 4 2.3多模干涉耦合器的应用 5 3 多模干涉耦合器一般成像特性的理论分析 9 3.1一般成像与重叠成像的区别 9 3.2导模传输分析法 9 3.2.1模式数M的计算 9 3.2.2模场激励系数的计算 9 3.2.3多模波导终端的横向场分布 10 3.3成像位置规律 11 3.3.1随位置数s变化关系 11 3.3.2随任意输入场位置x0变化关系 15 3.4 BEAMPROP软件模拟仿真 16 4 结论 18 参 考 文 献 19 附录A：程序源代码 20 作者简历 23 学位论文数据集 24 1引言 1.1 多模干涉耦合器的研究背景及现状 在以光的复用技术为基础的现有通信网中，网络的各个节点要完成光电转换，仍以电信号处理信息的速度进行交换，而其中的电子器件在适应高速、大容量的需求上，存在着诸如带宽限制、时钟偏移、严重串话、高功耗等缺点，由此产生了通信网中的“电子瓶颈”现象。为了解决这个问题，人们提出了全光网络的概念。近来网络发展的趋势就是进入全光网络，即在处理光纤网络讯号的路径传递时，讯号全部皆是以光的形式在传递的，因为不需将光讯号转成电讯号，全光网络的速度也较现今的网络快许多。 在现今这些光网络中，都需要用到大量的光学器件如阵列开关，合波器/分波器等，由于这些光纤波导器件需要比较大的耦合波导区域，人们已经更感兴趣去设计紧凑型器件，可以在单一集成光学回路（PIC）的芯片中容纳更多数量的元件。在各种光波导型耦合器中，利用多模波导自映像效应[1]制成的多模干涉(MMI)耦合器具有插入损耗小、结构紧凑、制作容差性好、工艺简单及对偏振不敏感等优点，特别是当分支数比较大时更能体现其优越性。因此，被广泛地应用于集成光学回路中。多模干涉耦合器不仅可直接实现光功率分配、二波长分离和合成等功能, 还是构成MMI型阵列波导复用器/解复用器、多模干涉马赫—曾德尔光开关[2][3]等多种光通信器件的重要组成部分。光波导型耦合器也存在其缺点：(1)器件制作工艺复杂，技术门槛较高，目前芯片被国外几家公司垄断，国内能够大批量封装生产的企业也只有很少几家。(2)相对于熔融拉锥式分路器成本较高，特别在低通道分路器方面更处于劣势。 目前，MMI耦合器的多模波导区只在一个方向上（一般是平行于衬底方向）支持多模, 而在另一个方向（垂直于衬底方向）只允许单模传输, 故属于一维自映像效应。当多模干涉区横截面两个方向尺寸相当时, 就必须考虑二维自映像效应[4][5], 将原有的MMI耦合器向三维空间拓展, 可获得更高集成度的MMI耦合器。 另外，传统式的分光器是利用金属扩散式铌酸锂LiNbO3光波导或聚合物光波导，可利用于定向耦合器或Y分叉型耦合器；而定向耦合器的最大的缺点是它的耦合长度随波导尺寸的变化很敏感，在制备过程中，要精确控制耦合区波导长度、宽度和波导间距，否则耦合系数与设计值有较大出入，使得器件的性能下降。而Y分叉型耦合器改变分叉处折射率分布的方法需要多次光刻、扩散，工艺复杂且实用性不强。波导刻蚀过程中在分支结点处产生的圆角会增大器件的损耗，恶化串扰性能。利用多模干涉耦合器做分光器，一般来说、有损耗低、元件尺寸小、频宽大、制程容忍度佳、易于设计多输出输入波导等优点。虽然多模干涉耦合器的操作波长范围较Y分叉型耦合器小，但仍可以涵盖目前高密度集成光学技术的波长范围，且其制容忍度也较定向耦合器高。另外在设计二个输出波导以上的分光器时，多模干涉耦合器之设计也较Y分叉型耦合器以及定向耦合器来得简单许多。 1.2多模干涉耦合器一般成像特性的研究意义 自映像效应[1]是多模波导的一个重要特性，自从自映像效应提出以来，人们对MMI耦合器的成像特性进行了深入研究。Bachmann等给出MMI耦合器成像特性, 但没有给出一般多模干涉成像规律。尤其是在位置数s不等于1和输入场位置不在0和W/N之间这两种情况[6]。对大多数一维MMI耦合器，为了使其结构更为紧凑，往往考虑位置数为1的情况。但当一维限制的MMI耦合器推广到二维限制后[7]，会出现一个或两个方向的位置数大于1的情况。 因此，本课题就是要去研究上述情况下的一般多模干涉成像规律，通过研究分析多模干涉耦合器的一般成像位置规律，可以为一维和二维限制的多模干涉耦合器的设计提供更多的理论基础。 1.3课题研究方案及措施 本课题的研究基于导模传输分析法和Bachmann等人的分析结果, 对多模干涉耦合器的一般成像特性进行理论分析。通过BC编程，计算得到不同输入场位置、位置数与成像位置的关系，从而总结出多模干涉耦合器的一般成像规律, 给出成像位置的表达式, 并用导模传输分析法验证分析结果。最后，用BEAMPROP模拟仿真软件更直观简单的验证分析成像位置。 |
多模干涉耦合器一般成像特性的理论研究
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