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多模干涉耦合器重叠成像特性的研究

  • 简介:(多模干涉耦合器重叠成像特性的研究 毕业论文 77页 31568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,应用非...
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(多模干涉耦合器重叠成像特性的研究 毕业论文 77页 31568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,应用非常广泛。除了直接实现光功率分配、波长分离和合成等功能之外, 还可以构成多模干涉马赫—曾德尔光开关、MMI型阵列波导复用器/解复用器等多种光通信器件。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。因此研究多模干涉耦合器的重叠成像特性,对于设计多模干涉耦合器有着重要的指导意义。
本论文根据多模干涉耦合器的自映像原理,研究了输入场位置、位置数对重叠成像个数和成像位置的影响,总结出重叠成像规律,给出了重叠成像位置和成像个数的有关计算公式。用导模传输分析法验证了计算公式和重叠成像规律的正确性。
关键词:集成光学;多模干涉(MMI)耦合器;自映像原理;导模传输分析法;重叠成像
中图分类号:TN256

Analysis of Overlapping-imaging Properties in Multimode Interference Couplers
Abstract: Multimode interference (MMI) couplers based on self-image effect have been developed rapidly due to the excellent performances of MMI: large optical bandwidth, polarization independence, ease of fabrication and so on.In addition to a basic coupler, to achieve a direct optical power distribution, and the wavelength separation of functions, can also pose a MMI-AWG multiplexer, MMI Mach - Zehnder optical switches and other. In short, MMI coupler to participate in almost every device or a complex system, it is important in the integrated optical components. Therefore, analysis of overlapping-imaging properties in MMI couplers is of great significance.
Influence of the input position and positional number on the positions of the images was analyzed based on self-imaging efect of multimode interference(MMI) couplers.Formulas for the positions and numbers of output images were also derived.And the guided-mode propagation analysis was used to confirm the analytical results.
Keywords: integrated optics; multimode interference (MMI) coupler; self-image effect; the analytical method of guidemode transmission; overlapping-imaging
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意义 1
1.2 课题研究内容及拟解决的关键问题 2
1.3 多模干涉耦合器常用的分析方法 2
1.4 BEAMPROP软件简介 2
2 多模干涉耦合器概述 4
2.1 多模干涉耦合器的结构和主要原理 4
2.2 自映像效应 5
2.3 MMI器在集成光学中的应用 5
2.3.1  1×N光功分器 5
2.3.1.1 均匀分光比 6
2.3.1.2 自由分光比 6
2.3.1.3 可调分光比 8
2.3.2 MMI-MZI结构 8
2.3.2.1 光开关 8
2.3.2.2 TE/TM模式分离器 8
2.3.3 粗波分复用/解复用器和N信道波分复用/解复用器 9
2.3.4 构成其他集成光学器件、模块 9
3 多模干涉耦合器重叠成像特性的理论分析 11
3.1 一般成像与重叠成像的区别 11
3.2 导模传输分析法 11
3.2.1 模式数M的计算 11
3.2.2 模场激励系数的计算 11
3.2.3 多模波导终端的横向场分布 12
3.3 成像位置和成像各数 13
3.3.1 x0=W/N时,一般重叠成像位置随s变化关系 13
3.3.2 一般重叠成像位置随x0变化规律 17
3.3.3 特殊重叠成像 17
结论 18
参 考 文 献 19
附录A:程序源代码 20


1引言
1.1 多模干涉耦合器的研究背景及意义
在20 世纪的后50 年中, 以光子科学和技术研究为基础的光通信技术所积累的丰硕成果, 为人类的进步作出了巨大的贡献, 有力地促进了经济的发展。各国政府充分认识到, 光通信技术涉及到国家安全和综合国力, 是在激烈的全球经济中获得优势的关键。因此, 光通信也是我国21世纪信息科学技术发展的重要方向。光通信质量和效率的提高, 光通信器件是技术的关键和核心。
基于自镜像效应(SIE)的多模干涉(MMI)型集成光学器件(简称MMI器)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。除构成基本的M×N(M、N可以取不同的整数) 耦合器外, 还可以设计出具有3dB耦合功能和干涉功能的耦合器单元; 制成1×N 光功分器、N×1 光合波器、TE/TM 模式分离器和模式转换器等, 由此也可以作为一些具有更强操作性能的光波导器件的组成部分, 如马赫曾德干涉仪(MZI,Mach-Zehnder in terferometer) 型光开关[1]、粗波分复用/解复用器、相位阵列波分复用/解复用器、波长选择性光开关[2][3]、多信道上下载光复用器、半导体环形激光器、环形振荡器和相干光横向滤波器等。可见,MMI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。
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。
多模干涉耦合器分一般性干涉耦合器和限制性干涉耦合器[6]。一般性干涉耦合器基于一般性干涉原理, 限制性干涉耦合器基于限制性干涉原理;而限制性干涉又包括成对干涉和对称干涉.对一般性干涉问题,对任一模次v,场激励系数Cv都不为零。而成对干涉中,模次v=2,5,8,…时,场激励系数Cv=0;对称干涉中,模次v=1,3,5,…时,场激励系数Cv=0。采用对称干涉和成对干涉可将多模干涉耦合器长度缩小为一般干涉的1/4和1/3,更能体现多模干涉耦合器结构紧凑的特点[7]。
基于强限制的MMI有带宽小和性能参数对宽度依赖强两个缺点.制作时对多模波导的宽度要精确控制。带宽对于应用于光网络的光器件来说是一个相当重要的指标。P.Besse等人.分析了强限制下MMI器件的带宽[8],并指出当N×N MMI器件的路数N>8时很难得到令人满意的带宽。近年来出现的弱限制(折射率差为0.005~0.01)MMI器件可弥补这一缺点。但弱限制MMI器件输出波导的间距比较小,对于输出波导如何引出的问题和输出波导间的相互耦合特性还需进一步研究。
1.2课题研究内容及拟解决的关键问题
本课题的研究要求掌握多模干涉耦合器的基本结构及其工作原理。了解多模干涉耦合器常用的分析方法及其光纤通信系统中的应用。推导重叠成像多模干涉耦合器输出端成像位置表达式。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,计算重叠成像多模干涉耦合器输入波导和输出波导中映像之间的相位关系表达式。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。
1.3 多模干涉耦合器常用的分析方法
目前已经有文献报道了多种可对多模干涉耦合器进行导模分析的方法,如精确导模分析法(EMA)、导模传输分析法(MPA)、WKB法、混合法和光束传输法(BPM)等等.其中最为常用的方法是EMA和MPA。EMA和MPA都是对多模干涉区内导模的传输和叠加进行分析。不同之处在于MPA是一种近似方法,其导模传播常数和波导区场分布都采用近似的表达式.这样采用该方法可得到解析结果。而EMA中,传播常数和场分布都是严格求解波动方程得到的。因此两者相比,前者计算量小但精度较低,后者计算量大但精度较高。本课题采用了计算量相对较小的导模传输分析法(MPA)。
1.4 BeamPROP软件简介
BeamPROP为美国RSoft Design Group, Inc.公司所开发,是一个整合电脑辅助设计(CAD)与模拟(Simulation)程式的专业软体,用以模拟设计光波导元件以及积体光路。此软体运用先进的-有限差分光束传播法(finite-difference beam propagation method)之技术来模拟分析一般的光电元件,加上方便的使用者图形介面,能轻松地分析设计光电元件。其主程式为一完整之CAD布局系统,用来设计光波导元件与光路,且可控制模拟相关的特性,例如数值参数、输入场及各种显示分析功能选项;另一则为模拟程式,它可在主程式下或独立执行实际的模拟分析工作,以提供不同的图形显示与数值分析功能。
BeamPROP的波导和光纤制图部分是完全的CAD系统,它可以提供特殊需要的光学设备和光路。 基础波导组件很容易在工具栏内选择(有直线的、锥形的、曲线的、Y形分岔的波导),并用鼠标添加到光路中。 位置坐标,无论是绝对值还是通过与其他波导部件的相对的位移和角度,都可直接定义。当制图和设计完成时,波导光路能通过AutoCAD的DXF格式的文件和GDS-II格式的文件输出,作为掩模的模版。
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