单模光纤和光波导器件连接耦合技术的研究(可编辑)
单模光纤和光波导器件连接耦合技术的研究
东南大学
硕士学位
论文
政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载
单模光纤和光波导器件连接耦合技术的研究
姓名:张夕飞
申请学位级别:硕士
专业:物理电子学
指导教师:孙小菡
208>030316东南大学硕士学位论文
摘要
光波导和单模光纤的耦合是光波导器件研制过程中的关键技术之一。 影响其有效耦合的主要因素是模场失配。模斑转换器是解决模场失配问题的 一种有效手段,己成为光波导器件的光波入/出口元件。 本文首先从方程组出发,系统
总结
初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf
了有限差分束传输法.,推 导出基于慢变包络近似的三维时域有限差分束传输方程?,并进 一步将交替隐式迭代法和综合道格拉斯格式应用于该方程,得到了具有 较高稳定性和较高精度的的差分方程。同时,对激励源和边界条件的使用都
作了较
为详细的探讨。
接着,本文基于深入研究了基于半导体
材料
关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料
的脊型光波导和单模
光纤间,
分析
定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析
了其中光波传输演变以及引起插入损耗的各种因素,如侧面边界、
长度、大端宽度和厚度,以及连接光纤和模斑转换器的过渡波导的有关参数,分别确
定了二维、三维锥形光波导模斑转换器、三维锥形光波导模斑转换器和过渡波导的最
佳参数。对横向偏移与损耗增量的关系、中的光波模式转换和光功率传输演变作
了数值仿真,获得了最佳耦合点,对的横向校准容差也作了详细的分析。
最后,本文还将模斑转换器应用于平面光波导器件,进行了实验,并对器件作了
检测和验证,获得了预期的结果。
关键词:平面光波导器件,连接耦合,模场失配,模斑转换器,束传输法,时域
有限差分法,综合道格拉斯法。
查童盔堂墅主堂堡堡塞. .? /
.
,,. ,,
.
, ..
,
,
,,,.
,,...
, ...
,,
, ,
,
:
,学位论文独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得
的研究成果。尽我所知,除了文中特别加盼标注和致谢的地方外,论文中小包含
其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得东南大学或其它教育机构
的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均
已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
签名:迷翌堡日期:』里必.
关于学位论文使甩接权的说明
东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位
论文的复印件和电子文档,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人
电了文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外,允许论
文被查阅和借阅,可以公布包括刊登论文的全部或部分内容。论文的公布包
括刊登授权东南大学研究生院办理。
护,.牛.
期:
签名:丛拿丝导师签名:圣塞口
????????于.第一章绪论
第一章绪论
随着现代科学技术的飞速发展,人类历史已经进入了一个崭新的时代一信
息时代。作为信息科学的基础:电子学与电子技术将由微电子学与技术向纳米电
子学及分子电子学与技术发展;近年来,光子学作为一门新兴学科继电子学之后,
又为信息科学的发展提供了一个重要的可靠基础【】【】。正是在这样的背景下,光
纤技术和光子器件技术不断进步,光纤产品不断更新换代,新的光子器件不断涌
现,光子集成技术也日趋成熟口。其中新一代大容量单模光纤的使用、
技术与光放大器技术的完美结合,极大地提高了光纤通信系统的性能与通信容
量,促进了光通信由点到点系统走向光联网,并且向全光网络转变‘】【】。
本章在回顾光通信技术和光予器件发展的基础上,对平面光波导器件的种类、
功能和制作工艺,及其同单模光纤连接耦合的技术作了深入的阐述和总结,指出
开发带有光纤接口的光波导器件和光集成芯片是未来全光通信网得以顺利实现
的关键问题之一。
’
.光通信技术与光子器件的发展
第一代光纤的研制成功直接导致了光通信的兴起,引起了通信网络的变革。
此后光纤通信经历了传统的电光网络时期,并正在向密集波分复用
结合光放大器
的透明光网络的方向发展卜。在此过程中,光纤和光子器件技术的进步进一步
推动了光通信技术的发展和完善,而另一方面光通信技术的发展又对光纤和光子
器件技术提出了新的要求。
..光网络和技术
通信网络的发展已经经历了两代,第一代为用电缆将网络节点互联在一起的
全电网络;第二代网络称为电光网络,其特征是用光缆取代电缆,但网络节点内
仍然是对电信号进行交换。第三代网络称为透明光网络,其特征是不仅用光缆取
代电缆,网络节点也被不间断的光缆连接起来,节点内只对光信号进行交换。
透明光网络是光在传输、放大、中继、光存储、上下话路、分组交换、复用
和解复用等过程中完全是在光频范围内进行处理的网络。构建高速、大容量的透第一章绪论
明光网络的关键在于超高速光传输技术和光交换技术以及新型大容量光纤和高
速光子器件】~】。
最初的光纤传输系统采用电的时分复用技术?,但.目前的最
高数字速率也只有/,/以上的光纤通信系统很难实现】。为充分
发挥光纤的带宽潜力,打破电子瓶颈的限制,年代后期,国际上开始利用一
根光纤同时传输多个光载波。如果这些光载波的波长相互间有足够的间隔,则每
路的数字信号同在一根光纤上传输,不会发生相互干扰。这就是光纤通信使用的
复用技术,称为“波分复用~】”。
与此同时,光放大技术也取得了长足的进步。在光网络中,依据放大方式将
光信号放大器分为再生器和光放大器。再生器不仅具有光放大功能,还有整形和
定时恢复等功能,但它采用光一电一光方式。光放大器是基于通常的激
光器原理的一种器件,它能够直接放大光信号。这就使全光中继成为可能,而且
实现了波长透明、速率透明和调制方式透明的光信号放大。
图光纤传输系统
图.为使用了掺饵光纤放大器的光纤传输系统。几个~几百、上千个 波长在单根光纤中一起传输.用中继放大,使传输容量提高几倍~几百、 上千倍,从而打破电子瓶颈的限制。
普通的点到点通信系统尽管有巨大的传输容量,但只提供原始传输带 宽,需要有灵活的节点才能提供高效灵活的组网能力。近年来,光分插复用器 和光交叉连接器的使用使得光交换技术得到了很大的发展, 点对点和一点对多点的通信系统正被光联网的通信系统所取代。 由以上可见,光网络的发展离不开技术和光交换技术的进步,而这些 技术的进步最终得益于大容量光纤和、、等光器件的使用。另外, 在未来的全光通信系统中,为实现光信号的透明传输,就必须全部使用光子
器件,第一章绪论
以直接对光信号进行放大、交换、复用和分用等处理。国外各大公司及大学
的相
关科研机构投入了大量的人力、物力、财力来研究开发用于光网络的各 类光子器件,随着平面光波导技术、光纤光栅及光子集成技术的出现,应用于 系统的光子器件正朝着全光纤化和系统集成化方向发展【
..用于系统中的光子器件
各种光子器件如半导体激光器、光探测器等有源器件以及光开关、光调制 器、波分复用朋浑复用器等无源器件,大部分已应用于商用光网络中,需 求较大。目前。平面光波导器件的研究工作正在深入,围绕着提高性 能、降低成本、提高器件集成度等目标,仍在研究新材料、提出新机理、开
发新
工艺。基于平面光波导技术的的光子集成芯片成为当前研究热点。 目前用于系统的光子器件器件主要有【】【:
.发光二极管和半导体激光器,这是广泛用于光通信系统的两种半导体光源。 光源和其驱动电路可以组成光发送机,有效地将光信号送入传输光纤。 .光检测器,其作用是把接收到的光信号转化为电信号。此类器件有雪崩光电 二极管和光电二极管。光检测器、前置放大器和相关电路
组成光接收机,接受光信号并恢复出光载波所携带的信息。
.再生器和光放大器。对光纤中衰减的光信号进行放大、再生。 .光滤波器。其功能与电子滤波器相似,是从多个频率中识别出一个狭窄的频 带,让其功过,或阻止它。
.波分复用/解复用器。波分复用器的功能是把多个不同波长的发射机输出的 光信号复合在一起,并注入到一根光纤。解复用器的功能与之相反。此类器
件可
分为无源和有源两类。
.分插复用器和交叉连接器。的主要功能是在保持
其它信道不变的情况下,将某些信道取出,而将另外一些信道插入。的功 能则是对波长选择和进行光通道交换。前者是一个波分复用/解复用对。而
后者
由若干个复用器、解复用器和光开关复合而成。
.波长转换器。其功能是把信号从一个波长转换到另一个波长,从而节约资源 光纤、节点规模、波长、简化网络管理并降低网络互联的复杂性。 .光分路器/耦合器。此类器件的主要功能是对光信号进行分配和合成、提取
第一章绪论
和监测,应用十分广泛。
.光调制器。其功能为实现光作为传输媒质来传递信息,将信号加载到载波激
光束上。
.光开关。其功能为转换光路,以实现光信号的交换。
除此以外。光通信系统的器件还包括连接器、波长转换器、光环行器、
光隔离器等等。
目前为止透明光网络设备还未完全进入商用化阶段,究其原因主要是:一方
面网络传输
标准
excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载
的发展未完善,另一方面是由于光器件的技术发展也还待突破。
随着光通信系统的发展,光器件对光通信的影响越来越深,而光通信
的发展也呼唤着功能更全、指标更先进的光无源器件不断涌现。在以为
目标的全光通信网络发展的推动下,光子器件已经呈现出如下的发展趋势【‘卜
四:纤维光学和集成光学共同发展,互为补充。分离器件和集成化器件将长
期共存,但发展趋势是集成化。与此趋势相适应的是加强工艺技术必将向高、精、
。
尖的方向发展,而寻找光器件所需的新型光学材料的努力也必将持续下去【
..光子集成芯片技术和应用前景
光通信系统的高速发展促进了市场对各种光器件的需求,把不同功能
的光子器件通过内部光波导互连,制成了一个光子集成芯片,
,包括激光器与光子接受器、放大器、调制器和光开关等。
具有密集、稳定和适合于大规模生产等优点,因而极大地满足了市场需求。
典型的制作过程要遵循~定的步骤【】。影响性能的关键是其折射
率的空间分布。对于简单的阶跃型蚀刻波导结构,折射率分布可以通过集成基片
的平面外形图获得,而该基片就包含所用材料的扩散模型。对其他的波导结构,
可以使用内扩散或者离子交换技术制作完整的二维模型。另一重要步骤是对
的性能进行模拟和优化,目前可获得的商用的模拟工具主要依赖于束传输法
。另一可行的模拟方法是本征模分析法。这两种方法常被结合起来使用。
在掩模设计阶段,预期的波导结构被变换成一套照相平版印刷掩模,的多层
压模被重叠在掩模上。附加的部件如校准结构、过程控制和检测结构也被包括在
其中。
目前光子集成器件因要应用各种电光效应,也离不开电的操作,因此实用的第一章绪论
光子集成芯片必须配之相应的电子回路和成熟的微电子技术于终端处理,即大型
的光电子集成系统。
近年来,光子集成和光电子集成的迅速发展,又为全光通信的
实现创造了一条更现实的途径。例如,最近研制开发的光通信用发射机与接
收机,即可用来建立一个简单的准全光通信系统。
.平面光波导器件,
光器件主要有三种】.它们是:
光纤器件。光纤不仅是传输介质,很多器件如光纤耦合器、光纤放大器、 光纤滤波器等都可以利用光纤技术由光纤制得,这就是光纤器件。 微光学器件。该技术用来制造高精度的微光学元件,如微透镜、微棱镜、 衍射光栅等。
平面光波导器件。在平面光波导技术中,利用半导体芯片工艺,光器件 被制作在平面基片主要是硅基片的表面就形成了平面光波导器件。 平面光波导技术具有很多的优点:
、该技术可以比其他技术更高效、经济地制作成许多互联的光子器件。 、能够比在光纤技术中更精确的控制临界尺寸。
、由于以上原因精确控制尺寸,许多光器件只可以用此法而不可以用其他 。
方法制作。例如波导光栅路由器,
、许多器件可以被制作在同一个衬底上,而后再把它们分成独立的器件。同
那
种一次只能制作一个器件的技术相比,这就极大地减少了制作费用。 光波导是光集成的基础,将几个、几十个甚至成百上千个相同或者不同的平 面光波导器件集成在同一个基片上,就形成了平面集成光路, 。
..平面光波导器件种类和功能
平面光波导器件种类很多,大部分光子器件有其对应的平面光波导类型。目
前已经开发或者正在研制的主要有以下几种类型。
、×分束器
,,,,,
在单一的元件基片上连接多级型分路元件,形成
分束器,实现光信号分路。这是一种开发较早且较为成熟的平面光波导器件。第一章绪论
、光波导耦合器
光耦合器是一个多功能多用途的产品,从功能上它可分为光功率分配器和光
波长分配器。利用平面光波导技术制作的光波导耦合器具有体积小、分光比控制
精确、易于批量生产等优点,尤其是它顺应了未来光纤通信集成化的发展趋势,
尽管目前技术尚不成熟,但必将代替熔融拉锥型光耦合器成为市场主流。。
、阵列光波导光栅,阵列波导光栅的输出端口与波长有一一对应关系,不同波长组成的入射光束
经阵列波导光栅传输后,以波长的不同就出现在不同的波导端口上,实现波长的
复用和解复用功能。该器件除了用于波分复用和解复用器以外,还可以用于波导
光栅路由器。
、光波导型光开关
波导光开关可分为电光开关、热光开关、声光开关和磁光开关,分别利用半
导体材料的各种物理效应。进行光路转换,以实现光信号的交换。与机械式光开
关相比波导型光开关具有开关速度快主要指电光和磁光开关、体积小,便于
集成等优点。
、光调制器
调制有直接调制和外调制两种方式,都是为了对光信号的幅度、相位频率实
现调制。电光调制器、声光调制器和电吸收波导调制器为目前三种主要的调制器,
都可以通过平面光波导技术制作。
、光滤波器
光滤波器从包含多个频率分量的光信号中提取出所需频率的信号,让其通过
或阻止其通过。谐振腔滤波器和马赫一曾德尔干涉滤波器都可以通过平面光波导
技术来实现,多个马赫一曾德尔干涉滤波器还可以在平面光波导上互联形成级联
马赫一曾德尔干涉滤波器。
..
材料
要发展新的光纤通信系统,必需首先发展光器件,而要发展光器件,就必须
发展光器件材料。平面光波导器件的材料主要包括二氧化硅、硅、铌酸锂
、?族化合物半导体材料等。下面介绍几种材料系统的特性。
在硅上生长二氧化硅技术是应用最广泛的平面技术。利用在硅上生长二氧化
第一章绪论
硅的技术已经制造了激光器,放大器,耦合器,滤波器,光开光和衰减器。在绝
缘体上的硅平面波导技术是最近几年发展起来的,作为暂时替代硅片上二氧化硅
技术的产物。该技术已经应用生产出耦合器,滤波器和光开关。
铌酸锂由于其优良的电光系数、声光系数,加上容易加工处理和
环境的稳定性,使其成为应用广泛的平面光波导器件材料之一。其主要优点有:
传输损耗低、模式尺寸能和单模光纤很好的匹配、驱动电压低、调制带宽较宽、
集成度高、工艺较成熟等优点。利用制造光波导器件的技术已经比较成
熟。铌酸锂技术已经应用生产光波导调制器、耦合器、滤波器和光开光等
?族化合物半导体具有量好的光、电性能。可实现各种光电元件的单片
集成,其最大的优点是能把光和电两种器件较为完美的集成在一起。尽管这种材
料制作光波导现在还不如用材料成熟,但由于其具有良好的光电集成前
景,因而越来越受到关注。日本在这方面已处于领先地位,日本光子学实
验室
已成功研制出基于?的超高
速量子阱定向耦合器光波导模块【。
为追求功能更全面、性能更完美的平面光波导器件,人们在努力提高工艺水
平的同时,也在不断的探索新的材料,如有机和聚合物材料、光子晶体等。发
展
新材料不仅是平面光波导器件技术发展的需要,也是光通信的核心问题。
..平面光波导器件制作工艺
光器件的制作工艺特别复杂,涉及许多不同的工艺技术。器件的优劣、性能
指标的好坏都与工艺技术密切相关。因此,寻求更新更先进的工艺技术是发展光
器件的重要课题,也是推动光纤通信事业向前发展的关键之一。
目前,制作平面光波导器件的主要方法是沉积/蚀刻法【捌,其主要步骤为:
.准备一块完整的硅片作为基片,并且打磨其表面,越平整越好。.向基片表面
沉积~微米的纯硅,并且通以高湿气体,在基片表面将形成一层覆层。
.向表面沉积掺杂的硅~微米,形成芯层。.然后在基片表面覆盖以感光性树
脂,器件图案被投射到感光性树脂表面,曝光。.将基片用氢氟酸处理,除了被
掩模覆盖的地方,芯层其余部分都被溶解。.将另一层纯硅向基片的表面沉积,
并和先前沉积的过渡层连成一片,这一沉积过程将持续到芯层被掩埋到所需的深
度且表面重新平整为止。图.为沉积/蚀刻法制作平面光波导器件的示意图。第一章绪论
另外向衬底扩散掺杂剂和用高强度激光和感光掺杂剂向波导写入例如锗在
二氧化硅玻璃中也是常用的制作平面光波导器件的方法。
~
??谭万?厂??疆可??
圭喜
??孑再??葡
??葡一
蹦,沉积/蚀刻法制作平面光波导器件的步骤
..测试和封装技术
平面光波导器件制作完成以后,将基片贴到适当大小的陶瓷片上,对电光器
件还要加上相应的电极。接下来的工作就是测试,测试的目的是检查器件的光学
性能,验证设计方法和模型,探索光纤与待测单元器件之间的连接耦合技术。在
测试中,除需要高分辨率显微镜以外,还需要光谱分析仪、光纤融接机、精密三
维微调架、光功率计等仪器。
检测过程中,使用微调架调整光纤和光波导对准时,由于调整的自由度多,
造成的难度非常大。在实际封装时,如果涉及阵列波导和单模光纤耦合连接,对
准的难度就更大。为解决这一问题,通常的办法是使用光纤定位槽四,这样可以
减少调整的自由度,从而减小调整的难度。
光纤定位槽可以直接加工在波导端面处,但目前工艺中使用的离子刻蚀方法
在加工光纤定位槽时,会造成波导端面粗糙不平,使得端面漫反射造成的损耗增
大。另外,干法刻蚀会对侧壁有腐蚀作用,造成槽口变宽,对准损耗增大。为克
服上述缺点,现在一般直接加工光纤和光波导的定位槽,实现光纤和光波导横向
和纵向的对准。
在硅基片,使用不同的半导体工艺,可以腐蚀出型槽,也可以腐蚀出型
槽和菱形槽?。图.中一般等于单模光纤直径。而和的选定可
以调整光纤在定位槽中的位置。与使用型槽相比,使用型槽还可以满
足深度方向的对准要求。菱形槽除具有形槽的优点以外,还可以包容裸露的
光纤,其平整的硅基片表面还可以集成其他光子器件。目前光纤定位槽技术已很第一章绪论
成熟,且各种型号的定位槽都有市售。
删
光纤和定位槽位置关系,型槽菱形槽型槽
.单模光纤和光波导的耦合连接
光波导是光集成的核心。大部分光器件,如上述平面光波导器件都是以光波
导为基础的,各种光集成芯片的结构也都是围绕光波导而展开的。所以各种光波
导器件,以及光集成芯片从实验室走向实用化的关键是实现光波导和单模光纤的
有效耦合开发出带有光纤耦合功能的光波导器件和光集成芯片是未来全光通信
网得以顺利实现的关键问题之一
..影响单模光纤和光波导耦合连接的因素
影响单模光纤与光波导之间是耦合的因素很多.主要有横向偏移、端面间隙、
端面菲涅耳反射、数值孔径失配、传输损耗以及光纤与波导间的模场失配等。其
中横向偏移误差可以使用型槽得到控制,数值孔径失配、菲涅耳反射和端面间
隙带来的插入损耗可以使用折射率匹配液得以减小.传输损耗可以使用新材料或
改变波导结构而得以减低。
芯
图.使用型槽进行单模光纤和光波导韵耦合连接
与其它因素相比,光纤与波导间的模场失配是个主要因素,这是因为光纤中第一章绪论
的光波能量向波导转移是通过波导模场和光纤模场的匹配来完成的。造成模场失
配的主要原因是光纤和光波导尺寸和折射率的差异。如图.,使用光纤定位槽
可以有效减小横向偏移和纵向间隙带来的损耗,但对由于尺寸差异造成的模场失
配带来的损耗却无能为力。
要解决此问题,有必要先了解一下单模光纤和光波导耦合连接的实现方法。
..单模光纤和光波导耦合连接的实现方法
人们一直在研究单模光纤和光波导耦合连接的实现方法,以寻找减小模场失
配带来的插入损耗的最佳途径。单模光纤和光波导耦合连接的实现方法可归
纳总
结如下【:
方法.改进光纤端面以实现
单模光纤和光波导的有效耦合【】。 如将光纤端面加工成球面、锥形或 纤芯
者用光致抗蚀剂在光纤端面制作一 个微透镜都可以提高单模光纤和光 波导耦合效率。如图.所示。
方法.改变波导芯层横截面在
圈
改变光纤端面和波导耦合平端球面锥形 宽度和深度方向的尺寸舢,以求光 纤芯
纤模场和光波导,从而获得更高的 耦合效率如图.所示。
图 改变波导端面和光纤耦合
方法.嵌入式耦合【】。同
图.嵌入式耦合
样需要改变单模光纤的端面形状,另外此法还需要在波导端面钻一小孔,或
者做
成型槽结构以便于单模光纤的嵌入。如图.所示。第一章绪论
方法因具有光纤易断、工艺复杂且不利于集成等缺点,因此很难得到推广。
方法除具有方法的缺点以外,工艺更加繁琐。尽管此法可以获得比方法更
好的效果,但它不利于集成化制作。也就不能顺应光通信发展的需要。
方法则利用平面光波导技术的优势,改变光波导端面的形状和大小,其实
质就是在光纤和光波导之间加接一个锥形光波导,以求单模光纤和光波导模场的
最佳匹配和数值孔径的最大吻合,从根本解决了影响光纤和光波导有效耦合的主
要问题。此法被认为是目前解决模场失配的最好的办法,同时又因为此法有利于
集成,顺应了光通信向向集成化方向的发展的需要,因而越来越受到重视,也吸
引了更多的人去研究。
由于这种锥形光波导具有转换光波模式和改变光波模斑大小、形状的功能,
所以被命名为锥形光波导模斑转换器, ?
。以方法的思想为基础,为顺应光集成技术的发展,一种新的光波
导元器件一锥形光波导模斑转换器已经成为人们研究的热点~】。
.模斑转换器的分类及目前研究状况
最常见的是二维光波导锥形模斑转换器.如图.所示,
其长度和宽度可以变化,但其厚度不能改变。在早期工艺水平受到限制、无
法改
变光波导的厚度的情况下,这种.更显得重要。尽管可以对其边界作各
种各样的变化,但由于其厚度不能发生变化,对耦含效率的提高毕竟
是有限的。近年来随着光通信的发展和工艺水平的提高,长度、宽度和厚度都能
变化的三维锥形光波导模斑转换器.逐渐得到了更广泛的研究和应用
如图.所示。
还可根据其横截面的形状而划分为不同的类别。常见的有矩型光波导
和脊形光波导。前者的横截面是矩型,用来和矩型光波导连接,而
后者的横截面是脊形,用来和脊形光波导相连接。脊形光波导由于在传输特性和
制作工艺方面具有的优越性,使其在光集成器件中得到广泛的应用。但脊形光
波导和单模光纤横截面的形状和尺寸存在很大的差异,它们的折射率相差也很
大,这就使得脊形光波导和单模光纤之间存在较为严重的模场失配,耦合
较为困难。因此,对脊形光波导的研究必须进一步深入。第一章绪论
如按照的侧面边界来划分,可将其分为线性和非线性。
线性的侧面边界为直线,制作工艺简单,使用普遍。而非线性模斑转换器
图
二维光波导锥形模斑转换器;维光波导锥形模斑转换器
的侧面边界函数是非线性的,往往比线性具有更好的耦合性能。在无法改
变光波导的厚度的情况下,非线性边界的显得很重要,合适的边界成为降 低.损耗的关键。
用来制作光波导的材料很多,其中族化合物半导体材料由于具有能把 光和电两种器件较为完美的集成在一起最大的优点,因而基于?族化合物半 导体材料的脊形光波导越来越多的被用来制作光波导器件和光集成器件。但 卜族化合物半导体材料折射率比较大。例如常被用来制作光开关/光调制器
的
,其折射率为.,比制作单模光纤所用的硅的折射率约为.大很 多.再加上脊形光波导和单模光纤横截面的形状和尺寸存在很大的差异等因
素,
基于的脊形光波导和单模光纤的模场将存在严重的模场失配。为此,研究 基于族化合物半导体材料是目前的一项重要任务。
表各种类型调查总结
线性 非线性
条形 ?族
类型 脊形
,
边界 边界
研究 研究 研究 研究 研究 研究 研究
研究状况 渐热
收敛 起始 收敛 起始 收敛 收敛
收敛
较为 较为
使用状况 少 渐多 普遍 普煽 较少
渐多
普遍 普遍
工艺 简单 较复杂 成熟 复杂
复杂 简单 复杂 简单
有特
达到 达到 有待 几乎达到 有待 达到 有特
性能限界
极限 开发 极限 开发 极限 开发 极限 开发
对各种类型的研发、使用情况作了调查总结,如表所示,仅供参考。 由以上分析可知,基于?族化合物半导体材料的,尤其是. 应该得到更深入的研究。第一章绪论
.本文主要工作
本文第一章在回顾了光子学和光通信发展的基础上,指出开发出带有光纤耦 合功能的光波导器件和光集成芯片是未来全光通信网得以顺利实现的关键
问题
之一,以及研制一种光波导元器件一模斑转换器的重要性。 第二章为数值模拟方法。本文从基本方程出发,推导出基于慢变包 络近似的三维时域有限差分束传输方程,并进一步采用交替隐式迭代法 ,推导了.差分方程组。对...
作了总结,并将综合道格拉斯格式用于三维时域有限差分束传输方程。建
立了..差分方程的数学模型。本章对格式和格式作
了比较,对激励源和边界条件也作了详细的说明。
第三章为本文的主体。在本章利用数学手段对和.进行了
模拟设计。分析了中的光波传输演变以及影响性能的各种因素, 确定了脊型光波导、?、和过渡波导的最佳参数。对横向偏移 与损耗增量的关系、归一化功率因子和中的光波模式的转换都作了数值模 拟,获得了最佳耦合点,对的横向校准容差也作了详细的分析。 第四章为在平面光波导器件中的应用。本章将应用于平面分支 波导和其他平面光波导器件,进行了试验,并对器件进行了检测和验证,对制
作
工艺和封装技术也作了详细的说明。
参考文献:
.王启明,光子学技术一新世纪信息高科技的佼佼者,世昼科撞班宜皇蕴羼, :
.干福熹,光子学的发展对当代信息技术的影响,生国型堂院瞳刊,.。:~ .陈阳,全光网络与光子器件,班岱通信.,:?
罗晖,光子器件的革命??微光子器件,国型蕉动查,,:
:?
.于荣金,集成光学与光子学。堂皇王:邀发.,.
范品忠,向甚大规模集成光子学挺进,邀遣复当立王堂迸屋.,:? .胡明,李乐民,来来通信网的发展方向??网皇篮型堂.,: .韦乐平,,面向未来的光通信技术。道篮世最年期:~第一章绪论 .
.尹苜一,尹传平,林孝康,密集波分复用技术及全光网络,曳左丕缠自动
丝,..
:~
:~
.顾涛,全光网络核心器件最新进展,光遵值拉苤,,. .
,赵锋,光交换机在全光网络的角色,逼迅世疆年期:? ,张煦,从
看太容掇光纤传输系统的新进展,些錾篷?亚宜总第期,年 期:~
,林金桐,左鹏,光通信技术的成就与展望,电信建逡年期:。 .张煦,光通信技术快速发展的历史和进程迸堑皇电缠曩甚廑翘拄苤年第一
期:《
./.:,.;,.;,.,
.,.,
.:
...卡塔洛颇罗斯,美朗讯科技有限公司著;高启祥译。密集波分复用技术导
论厶
匿蠼生出题塾年月第版?,一:,.:,.;, ?
,,
?,.,.,
:.,;,.;
??
,,
~】,.,.,
,:?
,.;。
‘.
. ..
?,./
:
.原荣编著,光纤通信,电王王些出题社,年月第版
.黄勇宁,严时浪,光通信技术、产业、市场展望,出通信技苤,年,第一期:
夏金松,余金中,严清峰,从会议看 全光网中的无源器件,盘红皇直缝 巫甚虞旦壁垄年期:~
.刘铮,全光网络设备与技术,鱼篮撞杰,年第期:“
.,;.
第一章绪论
.:
..’. ,.,
?.,.;,.;,.;,.; ..
, ,,,,:~ .干福熹,光子学材料及其发展,丝拄登堂皇王程总第期,年期:
,
...; 。 。
.,.,
,:~
.
. ...; , . .
,
,
,‘.
眦’
,?
。
,.,
,.
.:?
.刘东栋,胡海波,唐衍哲基于体硅微机械工艺的光波导器件封装技术,扭撼
强廑
,.,.,:
.,.;,.;,.;, ,.,.,
.:.
.马惠莲,杨建义。李瑾等.光波导一单模光纤的直接耦合.选通信班宜.总第
期.:~.,,.? ...,,.,.
.. ..
...,,.,.,: ,,.;
.
,. .,:
.
?
., ..
第一章绪论
.,,.,.,:?. .,?/
. .,,
.,,..,.,,:, .,..;,..;,.; ,.
.,,/。....,
.,
:
.,.:,;.; 业 ? .
% ,.
?.,
。:
.,..;,。..;,.;,. ,
.
。,:
.,;.;.; 型,?.。,.,: .,.;,.;,.; .‘.
./ ,.,.
,
.
:,
.;,.;.;,. .,..
,.: .
/
;,.?;.
.一,;,
,. ,.,.: .,;,;;,.
.,
,.
第一章绪论 :~
,
,
?
.?
..... ,:
.
. . ,.,
,:,;,; .??
;,:., ,. .. ,:.,. ,
.
.
.,,:第二章有限差分束传输法
第二章有限差分束传输法
由于光波导器件结构的复杂和边界条件的限制,在研究光纤和光波导连接耦 合的问题时却很难找到解析解;另一方面其制作费用比较高,工艺技术比较
复杂,
且制造周期也较长。因而用快速准确的数值模拟来研究和设计此类器件越来
越受
到人们的关注”.
为模拟光波在光波导中的传播,常使用束传输法和时域有限差分法 ?。基于慢变包络近似【】【的.兼具的高效性和
准确性,且发展了在任意角度处理反射和散射问题的方法【心。近年来, 格式和】等多种数学方法被用于.,使其可以更加高效快
捷地模拟分析各种光波导问题。.已经逐渐成为模拟分析光波导问题 的主要方法【一【”。
本文从基本方程组出发本文从基本方程出发,在总结
?的基础上,推导出基于慢变包络近似的..方程,并
进一步采用交替隐式迭代法,得出了..?差分方程
组。另外还对...作了总结,并建立了..’差
分方程组的数学模型。对激励源和边界条件的使用也作了较为详细的讨论。 .三维标量波动方程
麦克斯韦方程组概括了宏观电磁场的基本规律,它完整而严格地描述了电磁 场与电荷及电流分布之间的关系,它的解提供了包括光波在内的一切电磁问
题的
解答。对于任意介质,的微分形式是【胫
.
、
。重:一罢
国
. 、 。
詹:竽了,西尸,
.
?雪
.
式中丘和疗分别为电场强度矢量和磁场强度矢量,西和雪分别为电位移矢量
和第二章有跟差分束传输浩
磁感应强度矢量,乃为电流密度矢量,,为自由电荷的体密度。像光纤和光波 导这样无自由电荷的介质,,,。
雷和厅可通过物质方程与西和云联系起来【】:
.
西尹占扩重扩
‖尹日芦.
其中介质的介电常数占和磁导率‖可以为张量,表示介质是各向异性的。介
质是
否均匀取决于和?是否随位置而变化。
如果介质为各向同性的,对式.和.两边分别求旋度,并利用矢量算
符的性质以及.式和.式可得
.
。
?
.
。矾后尹争罟×丘肛尝‖詈
‘
疗疗?争半肛掌孚小×..而对绝缘材料‖胁,鳓为真空磁导 设波导为无自由电荷的区域,乃.,;
率。另外如果介质波导折射率缓变,则近似得占,从而.式可以简化,得 到矢量波动方程:
?,
矿等睾
其中为介质折射率,为真空中光速,谚为电场强度或者磁场强度。对式 .作进一步处理就会得到基于频域标量波动方程和基于时域标量波动方程。 假设:
,,,妒焉,弦一。“
.
由.可得矢量亥姆霍兹方程,其数学表达式为:
矿七妒 .
上式中,七置儿导力墨儿,,,为空间波数,而‰为真空波数。如果 不要求考虑电磁场极化等因素,可由式.得光纤和光波导中单色光的三维标
量笫二章有限差分柬传输法
亥姆霍兹方程:
.
霉年星乓垦,’?
口
如果令:
矿,,,,,,“ .
其中?为中心频率,相当于一个载波信号:而,,,是包络信号。这样将.
式代入.式中,可以得到如下式子:
五
万豆一辱喾哥置譬五
在直角坐标系下,任一场分量均满足如下的基于时域的三维标量波动方程
胛
../ 行.
矿。了百萨萨可丁
分别从方程.和.出发就会得到三维标量,方程和三维标量 方程。
.
.
考虑到光导波问题中场量中最快速变化的是由于轴向传输引起的相位变
化,采用傍轴近似,假定光波主要沿着轴传输,可令 .
妒,,,,三’“
其中,球,,是光波导中的传输场,.。是一个常数,代表场量‖的 平均相位变化,称之为参考波数,五称之为参考折射率。将方程.带入方 程,,可得:
四
磐蜥謦‖辔舻脚
因为,,刮墟缓慢变化,为电场的慢变项,采用近似,方程. 中左边的第一项可以忽略不计.于是得到如下的三维标量菲涅耳方程: ’
警去磐劳懈锄层
这就是三维标量基本方程。由此方程可见只要给定输入场瓴,就第二章有限
差分束传输法
可以得出空间的场分布。
采用有限差分法,将方程.离散化。令叮一豇,:一云,贝. 式对应的基于格式】的差分方程为
盯竺型掣掣型. ?,
.
其中:《耳,。一耳,醴
.
。:“一:。
可以证明,.式的截断误差为缈?。
在求解高维发展方程,我们为既保持差分格式的稳定性,又保持计算复杂性
与相应的显格式处于同一量级,常采用交替方向隐式法。
我们利用.将.式分为两个半步长方程: ’“//一
.
?‘
:絮?等型
一’
.
盯?五万一
?‘
:等等些 ?。
将.式直接代入.式得到如下的经过优化后的..差分方程,可
,
以用追赶法进行求解。
.
嘴州.。
:甚叫雕一等::
.
?/
。一“?了悃川“?,,一等盘:? .
弧,一掣讲,警,,
.
。卜兰:学,兰竺笋,,
其中口曼。方程.可用追赶法求解。
还可以进一步用【】格式处理式.,处理后分
量和分量截断误差的精度将大大提高。第二章有限差分束传输法 ?已经被成功的用来分析条型波导【”、型波导和型弯曲波导”叫 中的光波传输,且对损耗得到了准确的结果。.还被成功的用于条型波导 和三维弯曲波导的最有波导结构设计。但由于只考虑前向波,.不能处理 反射问题。如果要分析结构复杂的光波导, ?是比较好的方法。 .
叭队姒叫纠 “?嘲
由式.就得到一阶时闯导数的近似三维标量菲涅耳方程 :
‘
。
盯百瓦?面丁瓦蚰 .
其中仃一’,竺,:竺莩。这就是三维标量.方程。.式对应 。 ‘
的格式的差分方程为
仃望二.芝:堡兰?善竺笠:善竺堡鱼:?型。竺:?鱼。. 、
?
,一.:..............:..一‘..二二..??.???..????????
一?????????..??.??....?一‘,~,
其中砖。。,霹。‖《“的定义可参照式.得出。可以证明‘其截断 误差为?缸缈。
计算.式仍可以采用?,但将会把时间步长的截断误差升高为 ?‘川,故采用.四。为简单起见,令厶缈。方程. 可分为
?九
卜嘉占;?卜‖.彩霹节。
。 ?,
~寺咿
』一寺;心础/哪
亿慨,
叫,~虿:尸旷硪,一叫寺霹一止
其中:等第二章有限差分束传输法
佗.
/
可以验证.式的截断误差仍然为?,沁睁她且
其稳定性得到了提高,但不可以用追赶法求解。 .
..
法是一种处理微分方程高效方法,此法可使得空间步长的截断误差达到
了阶精度。等人已经成功的用来处理一维和二维空间变量的菲
涅尔方程,而处理三维空间变量的问题还有待进一步研究,故下面先简要总
结法处理二维问题,然后在此基础上探讨法处理三维问题。
..
...
在图.所示的二维波导中,/。可由.式得出.. 微分方程如下:
.咄
‘,譬:等等缂
丁百。萨可丁丘
包层
\
、
叫纤芯
光脉冲刨昙
图二维平面波导示意图
记盯等,:珲:七;
。 ‘
接下来,我们利用.将.式分为两个半步长方程: 一
:掣芸罂掣.
?/
。玄言仙?丁
丁一
“一““ ,,“’
占““ 占。
盯?面万一玄气厂仙?丁
将式.写成用于实际计算的形式:第二章有限差分束传输法 嗡卜?
,:乩一蔷。。一。。确
’’
蹦,,占?啄.鼍,?一等搿一‖墨:
惦:半讲,等笋,,.
分一半,等笋,,?毙.,
上式就是.?.方程的差分分形式。
面
格式处理式,。将学在蚍,缈处泰勒级数展开,由此可 ?’
以得军札
?,
警鼍?一击警缸。缸,
在传统的格式中,只考虑.式中右边的第一项,因此它的截断误差是
血,而格式考虑了高阶项,将截断误差降低到缸。 由于.式的两个方程是类似的,我们就以.为例说明格式
的应用,.式可以等效于如下两个方程:盯詈剥删, 。
伊西/
础:。融?,
将.、.分别代入,中,经过一些处理运算。得到式。 的式子:
.
瓴。.,一。孝三”犯,..,,。刁?,,一 乙一.岛,,叩主,,“ 同样可以得到.的差分表示式:
.
以。。砖。 ,。呓饪。.或碗.、:最,?磁“破。。踹 其中
九一面?尝?面.第二章有限差分束传输法
.
::一竺堕盥干上
引?』一
?二 。?口
或,町或孝是三对角阵的系数,方程.晰用追赶法求解。 .. ...
下面给出...差分方程的详细推导过程。由于法必须对 每一维燹量单独使用,所以采用分数步长是必要的。对于三维问题,必须在三
个
不同的时间层上使用法,因此我们在时间层,和,之间引入分数步长,/ 和,/。这样在时间层,上对分量使用法,而在时间层?.和“./则 分别对分量和分量使用法,如此周期循环,而得到所有时间层上的电磁 场分量。
将.式重新离散化:
“一’ ,“,
彰门 霹?均 彩
、 。
缸
仃下爷寸玄??? 曲 ‘
这是一个四层点显格式,其求解很不方便。很显然,其截断误差为 池洳池。
下面用格式处理.式,将.式分为
偿:,砷
.盯署警’蒯
,,
伊驯 咖。/渺?
亿:,,
盯玎”,甜”一”
将.各式左右两边分别在区间,/、/,/和
/,积分,并且把左右两边的结果相加,就会得到.式。由 此可以验证如此分裂.式是正确的。
对其中的.式使用
,将拿霉在:处作泰勒展开,得到下式笙三垦宣堡差坌壅堡塑鲨
:堑:
.
警警去警抛。埘 万可西可舵心
把.觥入.风相以三盟堕坐型。她代替警,得到 圆,
仨笋’。丝一塘‘嘉矿詈一妇。。他 因为
堡吐。盯等一.,“.一拷一也盯筹一也一 所以.式可以进一步改写为
吼嘏一屯辩一叱躺一吐制??
引入对时间的前向差分
口
嚣一仆
上??
墨丛旦曼塑二墨盘:
: 竺::/: 竺:垡
】 ?,/
嘉陋黔。卜去陋,掀
?:。川卜去?燃。四:。。】
由.式可知,式对空间步长的截断误差满足阶精度是显然的,所
以下面仅证明.式对时间的截断误差满足阶精度。
?, ’。 ’
由于学堕。三垒辟 生; 三陋?妞】她三等杀她。孚; 三生:生竺:?生:生
陪心滢蚤停。噔。
所以
了//一圭耐”删】专华鲁害‘??蔓童?塑薹坌星堡塑婆
::
一吾睁言詈一,剥。爿
由上式,并根据.拥
.
%?一三附??兰学
矧
即可证明式对时间的截断误差为。二。
同理,对.式使用法
.
箩厂;盯一如壶盯百~皿厂。洳 即
陀.
躇嘏、应/,/嘏、/., 虬.趣《俐
对.式引入前向差分,得 二二型::/
型:
旦二型/兰/
.巡/旦生釜二丝:万:/:二坐// 垃/
/
/
?血
妻陋麟她船寺?×?她嬲。】.寺陋塌:?:,?
.
同理由.式可得
舶,
警厂”;盯警一衄“”去占:盯百.一沈』“。
即
蹴嘏一《辩一《?警一《制 引入对.式的前向差分,得 堑笪二堕:
:
竺型:竺竺绁/
/
簪
盯‰
紫
第二章有限差分束传输法
嘉陋协?拶卜去陋地一?圮:卜去陋乩,?等:; .
式、.和.式可以分别写为
:,。。、,/:。嚣:七‘:。。:墨:。.。,。吐,,磅七‘:。。?.
.
乞妣,“/十‰打‰/蛩/每叶一,啦 嘏堍‰ 站、/蛳/ .
?吼朋磁“。砖乞剥,。‘麓:碗。丘苏乞..?哗:?’/。 .
其中 。旷击?击?等.
褫“苦千古干百.
口或:。,或毒是三
对角阵的系数。这就是用于实
际计算的形式,可用追赶法求
解。
差分网格如图.所示。
.式在平行于轴的平
面上计算。由时间层,上的各
场分量,可计算出/时间
层上的各场分量。.式
在平行于轴的各平面上计
差分母皤图
算。由时间层,/上的各场
图. .差分网格
分量,可计算出/时问层
上的各场分量。.式在平行轴的各平面上计算。由时间层/上的各 场分量,可计算出时间层上的各场分量。第二章确限差分柬传输法
..
格式和格式.的精度对比】
如图.所示的二维平面波导,激励源为高斯脉冲,横向为基模场分布,纵
向/的全宽为。纤芯和包层的折射率分别为.,.,纤芯的 宽度./。光进入波导
后传输距离的理论值为
./.。图.是基于、两
种格式,,?..,
止.朋时所得的计算结果。随
着网格步长的减小,传输距离日益
接近理论值。格式在
方向的步长
图.,格式和格式精度对比
./时就比较接近理论值,而
格式要在更小的步长下才能达到。
.激励和边界条件处理
在模拟光波在光波导中传输、反射或者耦合问题时一个重要的任务就是模
拟激励源。就是说,应将被研究的介质在真实源激励下这一完整条件在数值计算
中尽可能近似地“再现”或者“演示”出来。
另一方面,与微波频段波导和谐振腔不同,光波导是开放式结构。由于计
算机资源的有限,对光波导的数值模拟必须在有限计算窗口中进行。因此,必须
在计算窗口的边缘设置恰当的边界条件以吸收向外传播的光波。
..激励源的初始条件
激励源的初始条件主要包括激励源的空间分布和时间上的变化规律两个方
面】。从空间上可分为面源、线源、点源。典型的面源为常见的平面波源,在
分析波导结构时,一般可以在波导一个横截面上给出。面源的横向分布可以是任
意的,但如果激励源的分布越接近实际电磁场的分布,则达到稳定所需要的时间
就越少。
在求解中一般假设各场分量初始条件为零,当时,在预定源存在地网格第二章有限差分束传输法
点处被赋予源的场值。这种源值将随时间步的增加沿着网格空间传播,并作
用在
媒质上,产生反射、耦合等物理现象。当源不存在时,只能得到网格各点上场的
零解。因此源的正确设置是。的必要条件之一。
激励源模场的横向分布
如果所研究的模式横向场分布是己知的,比如是单模波导,就把基模场的
分布作为面源的分布。这样在计算中就尽可能地减少不需要的传播模式。如果横
向场为未知的,波导的纵向长度要足够长,才能是非传播场充分衰减。所以在实
际模拟中,一般采用高斯分布或者基模场分布。
本文研究单模光纤和光波导耦合问题。所以采用高斯光激励和单模光纤本征
模激励。对于二维平面波导而言,横向为高斯分布的数学表达式可写成:
聊,引:一一蝉,.
如果是三维平面波导,横向为高斯分布的数学表达式为:
.
一坠立冬挲二监
其中‰,儿为高斯光束的中心位置,为其/的半宽,。为入射源所加端面
的位置,一般取。。
对于中心对称的二维平面波导其基模场的分布为如下表示:
眩七
砸翩啪,裂训一卜砌,鬣曷
这里的‰为波导中心横向模场的中心,为纤芯的半宽度。和分别是横 向传播常数和包层中的衰减因子。
另外,单模光纤基模场的横向分布应为如下表示:
?一而?一粥疗
疡山乒瓣
???嗣?~
.
.
岛‰曙肛瓣 瓜再丽口
厂一、?
???弋雨厂一第二章有限差分束传输法
这里的。,为横向模场的中心,为纤芯的半径。
激励源的时变特性
以上讲述了激励源的空间分布情况,接着要说明的是激励源信号的时间变化 规律。从源的时变特点看主要有两类。一类是随时间周期变化的时谐源,另
一类
是对时间呈冲击函数形式的波源,主要包括矩形脉冲、高斯脉冲、上升余弦
脉冲
等等。需要说明的是源的时域频域特性与其空间分布是不相关的。 下面给出本文中所常用的时变源:
、高斯脉冲型:
.
,,。,:,,。.一.:;:?
式中,。是出现最大的值的时间,与脉冲宽度有关,应合适的选择~与,以保 证源的初始条件,即毋一。
、正弦渐变源:
在.中,首先假设。“进行化简的,所以时谐源体现出的是振幅的直 流源。为了减小激励源引入的高频分量的影响,一般采用一个正弦渐变激励
过程,
有如下的数学表示:
眩,,
黝栅鬣羔骝譬四‖鲥
其中是一个可调优化参数。上述中,弘。是源的空间横向分布,代 表时间的增长。
以上从空间和时间两个角度对激励源作了阐述,在模拟仿真中,只需