多模干涉型光耦合器研究

1/38目录摘要................................................................................................................................IAbstract.........................................................................................................................II1绪论............................................................................................................................11.1耦合器背景简介....................................................................................................11.2本文内容简介.........................................................................................................12多模干涉型光耦合器在光通信中的应用..............................................................32.1MMI光开关.....................................................................................................32.2MMI型1×N光功分器....................................................................................42.3MMI型2波长波分复用器.............................................................................52.4MMI型阵列波导光栅复用器/解复用器........................................................63多模干涉器件原理..................................................................................................83.1导模传输分析法..............................................................................................83.2多模干涉耦合器光场的讨论........................................................................103.3多模干涉一般成像分析................................................................................164多模干涉耦合器性能分析......................................................................................274.1MMI耦合器参数分析...................................................................................274.2MMI器件输入输出光场分析.......................................................................305总结及展望............................................................................................................33致谢............................................................................................................................34参考文献：..................................................................................................................35I/38摘要当今的光通信系统正朝着高速率、大容量方向发展，研究性能优良的集成光学器件已经成为人们的迫切需要解决的问题。多模干涉（MMI）光耦合器以其结构紧凑、低的插入损耗、频带较宽、制作工艺简单、容差性好以及对偏振不敏感等特点，已经越来越多的应用于光通信系统中。本文首先介绍了多模干涉耦合器在光通信系统中的应用，然后介绍了分析多模干涉原理的理论：导模传输分析法，然后再在导模传输分析法的基础上分析了多模干涉的基本原理；并在介绍理论后分析了多模干涉耦合器的成像位置及相关规律，并简要探讨了多模干涉耦合器相关参数对MMI区长度的影响；最后以1×2、1×4多模干涉耦合器为例分析了MMI区长度对输出光场的影响。关键词：多模干涉导模分析法成像位置MMI区长度II/38AbstractAlongwiththedevelopmentofopticalcommunicationsystemstowardhigh-speedandlarge-capacity,thedevelopmentofhigh-performanceintegratedopticalcomponentshasalreadybecomepeople'surgentdemanded,Themultimodeinterferenceopticalcouplerhasobtainedmoreandmorewidespreadapplicationforitscompactstructure,widebandandpolarizationinsensitivecharacteristics.Thispaperintroducesthemulti-modeinterferencecouplerinopticalcommunicationsystem，thenintroducestheprinciplesofthetheoryofmultimodeinterference：modalpropagationanalysis(MPA).Thenanalysisofthebasicprincipleofmultimodeinterferencebasedonthemodalpropagationanalysis.Andanalyzedthemulti-modeinterferencecouplersandrelatedlawsoftheimagingpositionprinciples.Andwediscussedthemulti-modeinterferencecoupler’sparameterinfluenceforthelengthofMMI.Finally,1×2,1×4multimodeinterferenceMMIcouplerasanexampleoftheoutputlightfield.Keywords:multimodeinterferencemodalpropagationanalysis(MPA)ImagingpositionlengthofMMI1/381绪论1.1耦合器背景简介近几十年来，随着IP业务的的迅猛发展，电信领域各种宽带业务迅速更新，人们期待能在电信网上实现更高质量保证的宽带业务，光网络的建设被公为是理想的解决方案。当今的光纤通信系统发展方向，使光学器件的开发面临这种种问题与机遇，开发出性能不仅优良，而且价格相当低廉的光学器件使之大幅应用于光网络通信系统中成为光纤通信系统发展最主要的问题。在光通信系统使用的各种器件中，光耦合器是可以使传输中的光信号进行耦合，并进行重新分配的的无源光器件。正是由于耦合器的这种特性，光耦合器在光纤通信系统中具有不可替代的地位。光耦合器按照制作工艺以及其主要结构通常可以分为熔融拉锥型和波导型两种类型的耦合器，波导型光耦合器因为具有尺寸小，重量较轻，而且易于集成等众多优点，已经在集成光学中得到了大幅的应用。多模干涉（MMI）光耦合器作为波导型光耦合器的一种，由于其具有插入损耗较低，其结构紧凑、制作工艺简单、频带较宽、对偏振不敏感以及容差性好等特点，已经开始越来越多的应用于光纤通信系统中。现今，随着理论研究和制作工艺的进步，多模干涉器件已经获得了相当大的进步，多模干涉型器件不仅可以制作出光通信网络中的M×N耦合器，而且还可以进行拓展今儿制出能够在大型光网络系统中应用的具有3dB耦合功能以及干涉功能的多模干涉耦合单元，可以制成模式转换器和TE\TM模式分离器，1×N光功分器，N×1光合波器等。也可以拓展出一些具有更强操作性能的光波导器件的基本组成单元，如环形激光器、相位阵列波分复用/解复用器、马赫-曾德尔干涉仪、波长选择型光开关、多信道上下载光复用器、环形振荡器和相干光横向滤波器等。因此可以看出，MMI型光器件是全光通信网重要的组成部分，在集成光学中，大部分的大型复杂器件及小型的通信网络中都有相关的应用。目前，国内外广泛重视MMI器件的研究，预计在国内外的研究下将会有更先进的新型器件以及研究理论出现。1.2本文内容简介本文主要以多模干涉器件的波导结构为例，对多模干涉型光耦合器的原理及2/38特性进行了相关研究，下面简要介绍本论文各章简要内容：1绪论：介绍当前多模干涉型光耦合器的优点及相关背景，发展趋势。2多模干涉耦合器的应用：简要介绍在当今的光通信系统中光耦合器的主要应用。3多模干涉基本原理：介绍多模干涉耦合器的基本原理，自映像效应，介绍用来分析的数学方法：导模传输分析法，并运用导模传输分析法对多模干涉的基本原理进行分析。4多模干涉型耦合器件分析：运用数学方法对多模干涉型光耦合器件的输入输出光场进行分析，给出输入输出关系，并讨论相关参数的改变对其结果的影响，定量讨论其对结果的影响。5总结及发展展望：给出相关结论，并分析今后光通信网络中多模干涉型光耦合器件的发展趋势。3/382多模干涉型光耦合器在光通信中的应用多模干涉耦合器具有插入损耗较低、结构紧凑、适应的频带较宽、对偏振不敏感、制作工艺简单等特点，已在光纤通信网络以及集成光学中得到了大幅的使用。除构成最为常用的M×N耦合器外，还可制成TE/TM模式分离器和1×N光功分器等，由此多模干涉器件也可更进一步制作一些功能更强的光波导器件结构的基本单元，如半导体环形激光器、光开关、多信道上下载光复用器、相干光横向滤波器、相位阵列波分复用∕解复用器、环形振荡器等。2.1MMI光开关光开关无论在空分、时分还是波分复用系统中都是全光通信系统中的一种重要的器件。光开关拥有着广泛的应用。在以往使用的2×2光开关结构是由M-Z移相器与2个3dBY型波导耦合器连接组成。为了实现多址传送，这就要求众多的光开关单元按照树枝状网络级联组成大规模的光开关矩阵。在这种情况之下，连接光波导的网络分布相当复杂，芯片面积也需要很大，插入损耗会非常长，传输光的的累积光程也会达到过大，因此需要找到一个短程的多址分束器。多模干涉耦