热光长周期波导光栅辅助的非对称Y分支模式开关研究
发布时间：2020-07-20 16:07
【摘要】：进入超宽带和LTE时代后,随着电子商务、大数据以及云计算等新兴业务快速发展,人们对信息服务的需求量进一步增长。但由于光纤非线性效应等问题的限制,现有单模光纤通信网络的传输容量正在逼近香农极限,无法继续满足日益增长的用户需求。作为进一步提高光纤系统传输容量的重要途经之一,基于少模光纤的模分复用技术引起了广泛专注。包括模式转换器和模式复用/解复用器在内的模分复用器件是少模光纤模分复用系统的重要组成部分,目前仍处于探索研究与完善的阶段。针对目前研究的不足,本文提出并设计制作了热光长周期波导光栅辅助的非对称Y分支模式开关,器件分别采用EpoClad和EpoCore聚合物材料制作波导包层和芯层,利用聚合物材料的热光效应,通过上包层表面电极通电升温在非对称Y分支主干波导引入热光侧壁长周期波导光栅,将模式转换与模式复用/解复用功能相结合,并通过调节电压电流改变电极温度来调谐热光长周期光栅的耦合效率,构成了可重构可调谐的工作特性更全面的热光模式开关器件。该器件不仅能实现LP01模和LP11a模的复用和解复用,通过热光长周期光栅的模式转换,还能将LP01模和LP11a模有选择性地通过Y分支的两分支臂输出,因此具有一定路由功能。本文围绕所提出的热光模式开关的工作特性,首先分析了相关理论和工作原理,之后利用仿真软件对器件结构参数进行了设计仿真,在此基础上使用现有实验设备分别制作了非对称Y分支波导、热光长周期波导光栅模式转换器以及基于前两者设计的热光模式开关,最后分别对制作的器件样品进行了性能测试。测试结果表明:实验制作的非对称Y分支波导应用于模式解复用时,最小插入损耗为12.01 dB,两分支臂间串扰在波长为1566 nm时为-26.86 dB;应用于模式复用时,宽臂复用的最小插入损耗为12.61 dB,窄臂复用的最小插入损耗为17.26dB。制作的热光长周期波导光栅模式转换器能实现LP01模和LP11a模之间的模式转换,且可利用热光效应调谐其耦合强度,测得其表面电极外接电压电流为(3.8 V,0.14 A)时样品的模式转换效率约为82.91%。实验制作的热光模式开关应用于模式复用时具有模式转换功能,可帮助校正畸变的复用模式;应用于模式解复用时具有模式路由功能,可将LP01模和LP11a模有选择性地从两个分支臂输出。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN929.11;TN25
【图文】：
图 1-1 基于少模光纤的模分复用系统框图在少模光纤模分复用系统中，为了最大化实现传输容量的提升，除了要研制新颖的光纤之外，研发新颖的光学器件加以配合也是至关重要的。模分复用器件（即模式复用/解复用器和模式转换器）用于实现模式的复用/解复用功能和模式的转换功能，是少模光纤模分复用系统中不可或缺的核心器件。目前，不论是作为传输介质的少模光纤，还是作为关键器件的模分复用器件都还不能够成熟应用，仍然处于探索研究与完善的阶段。1.3 模分复用技术的研究现状随着单模光纤的带宽挖掘日益趋近“瓶颈”，拥有诸多优势的模分复用技术必将拥有越来越广泛的应用前景。越来越多的科研工作者致力于研发结构简单有效、工作效率高的模分复用器件，以实现模式的激发、转换和复用/解复用，在其中很多研究工作中，模式转换功能和复用/解复用功能是集成在同一器件上的。根据其实现的技术平台，国内外模分复用器件的研究方案可大致总结为以下三类：
上一章介绍了模分复用技术及模分复用器件的发展动态和研究现状，针对目前研究的不足，提出了一种利用热光长周期波导光栅辅助的非对称 Y 分支波导结构实现 LP01模与 LP11a模转换和复用/解复用的模式开关。本章将针对所提出器件的工作原理进行分析，包括光波导分类、模式概念及特性的简介、耦合模理论、聚合物材料热光效应以及非对称 Y 分支工作原理。2.1 光波导简介光波导是一种能将光波限制在其内部或者表面附近，并引导光波沿特定路径传播的介质几何结构[37]。就目前而言，光波导是实现光波低损耗传输的最有效光学介质。作为集成光学的基础，光波导器件的研制技术在近年来得到了快速发展，可应用于光信号的产生、调制、传输、交换、检测和解调等诸多方面。如图 2-1所示，光波导一般由基底（Substrate）、包层（Cladding）和芯层（Core）构成，按结构可主要划分为五类：平板波导、条形波导、脊型波导、扩散型波导和光纤，其中，光纤属于圆柱形波导，前四类统称为平面光波导。
图 2-2 平板波导中导模的传输特征示，给定一个平板波导，为了实现相长干涉，光在的总相移应为2 的整数倍。根据光在波导内形成的模式本征方程。(2 ) 2 2 2 0,1, 2...y upper lowerk h m m upper与 φlower是光在上下界面发生全内反射时产生的率n确定的平板波导，由于半相移由α和光波偏振态 α 的值。这说明，只有满足特定入射角的光线传，这些特定的光线路径称为波导模式。图 2-3 所示输示意图。
本文编号：2763659
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN929.11;TN25
【图文】：
图 1-1 基于少模光纤的模分复用系统框图在少模光纤模分复用系统中，为了最大化实现传输容量的提升，除了要研制新颖的光纤之外，研发新颖的光学器件加以配合也是至关重要的。模分复用器件（即模式复用/解复用器和模式转换器）用于实现模式的复用/解复用功能和模式的转换功能，是少模光纤模分复用系统中不可或缺的核心器件。目前，不论是作为传输介质的少模光纤，还是作为关键器件的模分复用器件都还不能够成熟应用，仍然处于探索研究与完善的阶段。1.3 模分复用技术的研究现状随着单模光纤的带宽挖掘日益趋近“瓶颈”，拥有诸多优势的模分复用技术必将拥有越来越广泛的应用前景。越来越多的科研工作者致力于研发结构简单有效、工作效率高的模分复用器件，以实现模式的激发、转换和复用/解复用，在其中很多研究工作中，模式转换功能和复用/解复用功能是集成在同一器件上的。根据其实现的技术平台，国内外模分复用器件的研究方案可大致总结为以下三类：
上一章介绍了模分复用技术及模分复用器件的发展动态和研究现状，针对目前研究的不足，提出了一种利用热光长周期波导光栅辅助的非对称 Y 分支波导结构实现 LP01模与 LP11a模转换和复用/解复用的模式开关。本章将针对所提出器件的工作原理进行分析，包括光波导分类、模式概念及特性的简介、耦合模理论、聚合物材料热光效应以及非对称 Y 分支工作原理。2.1 光波导简介光波导是一种能将光波限制在其内部或者表面附近，并引导光波沿特定路径传播的介质几何结构[37]。就目前而言，光波导是实现光波低损耗传输的最有效光学介质。作为集成光学的基础，光波导器件的研制技术在近年来得到了快速发展，可应用于光信号的产生、调制、传输、交换、检测和解调等诸多方面。如图 2-1所示，光波导一般由基底（Substrate）、包层（Cladding）和芯层（Core）构成，按结构可主要划分为五类：平板波导、条形波导、脊型波导、扩散型波导和光纤，其中，光纤属于圆柱形波导，前四类统称为平面光波导。
图 2-2 平板波导中导模的传输特征示，给定一个平板波导，为了实现相长干涉，光在的总相移应为2 的整数倍。根据光在波导内形成的模式本征方程。(2 ) 2 2 2 0,1, 2...y upper lowerk h m m upper与 φlower是光在上下界面发生全内反射时产生的率n确定的平板波导，由于半相移由α和光波偏振态 α 的值。这说明，只有满足特定入射角的光线传，这些特定的光线路径称为波导模式。图 2-3 所示输示意图。
【参考文献】
相关期刊论文 前3条
1 唐雄贵;廖进昆;李和平;陆荣国;刘永智;;新型非对称Y分支波导设计与分析[J];光学学报;2009年08期
2 王伟;潘炜;罗斌;王勇;;余弦型Y分支结构参数的性能分析[J];激光与红外;2007年01期
3 谢建平,鲁拥华,王沛,章江英,吴云霞,明海;用角谱方法分析固体浸没透镜的近场光场[J];光学学报;2002年04期
相关博士学位论文 前1条
1 邱晖晔;基于波导光栅的硅基集成光器件研究[D];浙江大学;2014年
相关硕士学位论文 前1条
1 马锐;长周期条形波导光栅的理论研究[D];天津大学;2006年
本文编号：2763659
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