少模光纤与光波导对接耦合研究

论文摘要

在当前高速发展的信息化时代,人们对于通信容量的需求量急剧增加。单模光纤传输容量由于克尔非线性效应被限制在100 Tbps。为此,各大研究机构纷纷提出不同方案来使光通信系统的传输容量得到进一步提升。其中,模分复用技术作为一种能够提高光通信容量的可靠性技术成为当前的研究热点。利用少模光纤作为传输介质,有效地结合模分复用、波分复用以及偏振复用技术可以显著地提高系统传输容量。另一方面,模式控制器件作为模分复用技术实现的核心器件在模分复用系统中必不可少,如模式转换器、模式复用/解复用器及模式开关等,这些器件主要基于块状光学、光纤及光波导实现,由于波导材料选择的灵活性和波导器件紧凑的结构,波导技术可以实现更强大的模式控制器件。但在光波导器件封装时,不可避免地会出现光纤到波导的对接,所以少模光纤与波导之间耦合特性的分析对模分复用系统的实现至关重要。本文主要研究了光纤与波导之间存在横向、纵向及角向偏移时,少模光纤与波导中前6个线偏振模之间的耦合及串扰特性。工作内容如下:首先,从电磁场基本理论出发,结合麦克斯韦方程及光纤与波导的边界条件,对光纤和波导中的模式进行了分析,证明了模分复用技术的理论基础—模式的正交性,并对光纤与光波导对接耦合时模式的耦合效率公式进行了推导。其次,分析了不同形状少模光纤与波导中前6个线偏振模的场分布,确定了圆芯光纤与方形芯波导中的前6个线偏振模与横电模、横磁模和混合模式之间的量化关系;通过分析完美对接情况下光纤与光波导的耦合情况以及椭圆光纤与矩形波导中前6个线偏振模的有效折射率,确定了本次研究所采用的少模光纤与光波导的参数。最后,分别分析了光纤与波导在横向、纵向及角向偏移下的耦合理论,并通过大量计算得到少模光纤与波导在横向、纵向及角向偏移下的耦合特性,并进行了分析。对少模光纤与光波导对接耦合时的对准容差范围有个大致评估,使前6个线偏振模耦合效率高于90%,串扰小于-20 dB,并分析了计算结果的宽带特性。根据本文结果可以更加合理地设计模分复用系统中的器件。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 引言
•   1.2 国内外研究历史及研究现状
•     1.2.1 模分复用器件研究历史及研究现状
•     1.2.2 对接耦合研究现状
•   1.3 本文研究意义
•   1.4 本文主要内容及章节安排
• 第二章 对接耦合理论分析
•   2.1 模式分析
•     2.1.1 光纤中的模式
•     2.1.2 平板波导中的模式
•     2.1.3 矩形波导中的模式
•     2.1.4 模式的正交性
•   2.2 对接耦合理论分析
•   2.3 本章小结
• 第三章 光纤与波导参数分析
•   3.1 圆芯光纤与方形芯波导参数分析
•     3.1.1 圆芯光纤/方形芯波导中前6个LP模分析
•     3.1.2 方形芯波导参数分析
•   3.2 椭圆芯光纤与矩形波导参数分析
•     3.2.1 椭圆芯光纤参数分析
•     3.2.2 矩形波导参数分析
•   3.3 本章小结
• 第四章 不同偏移情形下对接耦合分析及结果讨论
•   4.1 横向偏移
•     4.1.1 横向偏移理论分析
•     4.1.2 圆芯光纤与方形芯波导横向偏移下对接耦合分析
•     4.1.3 椭圆芯光纤与矩形波导横向偏移下对接耦合分析
•   4.2 纵向偏移
•     4.2.1 纵向偏移理论分析
•     4.2.2 纵向偏移下对接耦合分析
•   4.3 角向偏移
•     4.3.1 角向偏移理论分析
•     4.3.2 圆芯光纤与方形芯波导角向偏移下对接耦合分析
•     4.3.3 椭圆芯光纤与矩形波导角向偏移下对接耦合分析
•   4.4 带宽与色散的影响
•   4.5 本章小结
• 第五章 总结与展望
•   5.1 本文总结
•   5.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 硕士研究生期间取得的研究成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 师巾霞

导师: 郑建成

关键词: 模分复用,少模光纤,光波导,对接耦合

来源: 电子科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 电子科技大学

分类号: TN25

总页数: 64

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