楔形光纤与半导体多量子阱平面光波光路芯片的耦合分析

采用楔形光纤(WSF)实现了与半导体多量子阱(MQW)平面光波光路(PLC)芯片的高效耦合。在多量子阱-平面光波光路前置模斑转换器(SSC)和不加模斑转换器的情况下,用阶梯串联法(SCM)数值模拟并优化设计了楔形光纤-平面光波光路间最佳耦合参量:楔形光纤楔角45°、端面圆柱透镜曲率半径2.5μm、模斑转换器-多量子阱-平面光波光路出射椭圆光斑长半轴3.5μm、纵横比5、楔形光纤-平面光波光路间垂直方向和水平方向无偏移、纵向间距5.5μm。用反向推演法(IDM)实验分析了楔形光纤样品的出射光场,与阶梯串联法(SCM)计算结果相比长轴误差为3.125%,短轴误差为0.8%。建立楔形光纤-平面光波光路-单模光纤(SMF)的耦合实验系统,在1.55μm波长处以单模光纤作为出纤的相同条件下,发现楔形光纤激励入射平面光波光路比单模光纤和锥形透镜光纤(TLF)作为入纤的耦合效率分别提高了24.827 dB和16.22 dB,为多量子阱-平面光波光路芯片尾纤封装技术提供了实验原型。     

一种基于多模干涉耦合器的模转换与合并器件的设计

多模波导干涉（MMI）耦合器在集成光路中被用来实现波导模式的转换或合并。对于实际的基于硅绝缘体（SOI）的三维波导，数值设计方法是必需的。采用有限差分波束传输法（FD-BPM）设计了一种66％模式转换、合并器。首先由FD-BPM求出MMI耦合器的输入、输出波导所支持的基模和一阶导模的模场分布，通过数值方法得到MMI耦合器的长度，然后将求得的模场作为输入波场，经过FD-BPM运算后在器件输出面上计算交叉积分得出实际的由基模转换为一阶模的功率百分比。对于算例中采用的SOI波导，器件长度为829μm，65．7％的功率由基模转换为一阶模。     

矩形光波导E_(00)~y模衍射特性分析

基于Marcatili近似理论,给出了一种矩形光波导Ey00模模场的近似表达,根据平面波角谱理论,推导出了矩形光波导Ey00模衍射场的空间频谱表达式,探讨了其x轴方向上的空间频谱分布特性,分析了矩形光波导Ey00模在x,y轴方向上的光传输因子M2,并采用方形桶桶中功率对矩形波导Ey00模空间频率半宽度进行数值分析,得到了由方形桶桶中功率定义的矩形光波导Ey00模空间频率半宽度随归一化频率变化的关系曲线。     

空间交叉波导耦合特性分析

由两根在空间呈X型放置的光波导组成的空间交叉波导结构是构成垂直耦合光分束器、垂直耦合光滤波器、垂直耦合光开关和垂直耦合上/下复用器等三维集成光学器件的基本结构单元.提出用一种等效模场匹配法分析空间交叉波导耦合特性,将矩形波导的场分布看成是对圆对称光纤场分布的微扰,解决了对角区场分布的表达,从而计算空间交叉波导的耦合长度,并用三维全矢量光束传输法验证了分析结果.将两种方法所得的空间交叉波导耦合长度加以比较,最大误差为1.2%,平均误差为0.9%.结果表明该等效模场匹配法具有精度高、运算速度快等优点,为基于空间交叉波导的三维集成光学器件的设计和分析提供理论基础.     

新型电光扫描器中光波导阵列特性研究

利用有限差分光束传输法(FD-BPM)详细研究了光波导阵列电光扫描器的核心部件—光波导阵列的传输特性和辐射特性,分析了光波导阵列结构参量对其传输特性和辐射特性的影响.研究结果表明,光波导芯层厚度、光波导阵列的周期、长度和层数对光波导阵列输出面上的光场振幅、相位分布及光波导阵列输出光束主瓣的半峰值全宽度(FWHM)影响很大.通过与其它理论研究的结果进行比较指出,FD-BPM可以很方便地、更全面地描述光波导阵列的传输和辐射特性.另外,在研究光波导阵列光束扫描的基础上,根据光波导阵列电光扫描器的扫描探测要求,提出了光波导阵列结构优化设计的原则.     

锥形透镜光纤聚焦特性研究

锥形透镜光纤(TLF)是实现光纤与平面光波光路(PLC)芯片高效耦合的核心元件。了解和掌握其聚焦特性是指导平面光波光路尾纤封装技术的关键。给出了表征锥形透镜光纤聚焦特性的两个参量出射光斑直径和远场发散角的理论分析模型,其误差小于1.14%;采用光束传播法数值模拟了锥形透镜光纤中的光波传输和模斑的演化,确定了锥形透镜光纤端面出射光斑的大小;优化锥形透镜光纤结构参量为:拉锥长度300μm,锥角0.733°,透镜曲率半径13.485μm;建立了基于数字摄像机的锥形透镜光纤出射光场测试系统,提出了物理光学反向推演法,计算出锥形透镜光纤聚焦光斑尺寸和远场发散角。理论与实验结果有着良好的一致:对于相同结构参量的锥形透镜光纤,实验反推法得到的出射光斑尺寸与理论值相比误差为3.15%,远场发散角误差为3.67%。     

左手介质矩形波导导模和表面模的场分布

从麦克斯韦方程组出发,结合电磁场的边界条件,推导出介质矩形波导导模的一般色散方程.对普通介质矩形波导和左手介质矩形波导的导模场分布分别进行了数值模拟.通过对比两种介质矩形波导的导模场分布的模拟结果,发现左手介质矩形波导Ex22模的场分布比普通介质波导Ex00模的场更集中在波导中部.同时,根据处理普通介质矩形波导的Marcatili方法.类比得到左手介质矩形波导表面模的色散方程,并数值模拟了低阶模的场分布,结果表明,能量主要集中在波导的四个角区以及波导的边缘.     

锥形光纤模场直径极小值特征研究

模场直径是光纤波导基模的特征参量。单模光纤中的功率密度与模场直径成反比。随着光纤激光器单模输出功率的不断攀升,纤芯中的功率密度不断增加,过高的功率密度会使光纤波导产生光学损伤和热损伤。基于锥形光纤模场分布近似模型,研究发现不同参数的拉锥光纤模场直径最小值位置对应的归一化频点具有规律性。采用有限差分波束传播法（FD-BPM）对不同波长、不同数值孔径下纤芯直径和模场直径的对应关系进行模拟,结果表明:模场直径最小值位置在归一化频率1.8附近,与光纤参数和波长的选取没有直接关系。这个特征参数可为高功率激光在光纤中功率密度最大值位置的快速确定提供依据,也为光纤光学理论增加了新的内涵。     

金属包层对称平面单轴晶体波导的模式场(Ⅱ)

对于晶体光轴平行于波导界面的结构,讨论了光在金属包层对称平面单轴晶体波导(波导层是单轴晶体,两个波导界面均为金属)内的传输特性.解析地得到了这种结构下波导模式场的精确解.模式场的性质因单轴晶体的性质不同而异.对于正单轴晶体,波导的主模是横电波,任何频率的光波均可激励该模式;当频率满足一定条件时,波导内传输单模,否则,将激励起高阶模式.高阶模既非TE波,也非TM波,而是两者耦合而成的混合模.对于负单轴晶体,波导的主模是一种混合模,该模式同样可被任何频率的光波所激励;当频率满足一定条件时,波导内传输单模,否则 关键词： 平面金属波导 单轴晶体 模式场 混合模     

基于3D-VTGM-SBPM平行定向耦合器模拟研究

提出基于变量变换伽辽金法的三维半矢量束传播法(3D-VTGM-SBPM),可直接应用于三维光波导器件的光波传输模拟.采用适当的变量变换，将三维半矢量BPM基本方程归结为一阶常微分方程组，避免了非物理反射且能反映模场的偏振特性，成功的分析了基于脊形光波导的平行定向耦合器的光波传输特性.     

有机聚合物非对称脊波导单模条件分析

以有机聚合物非对称脊波导为研究对象,采用半矢量有限差分光束传输法(FD-BPM),系统地分析了不同脊高、脊宽和芯层平板短侧宽度条件下非对称脊形波导的基模截止和单模条件。得出:在芯层高度一定的情况下,基模截止区域和单模区域均随脊高或脊宽的缩小而增大,单模区域随脊形波导芯层平板短侧宽度s的减小而减小;其尺寸以选择芯层厚度h≥1.5μm,脊高(H-h)≤0.4μm,脊宽4μm≤w≤8μm,芯层平板短侧宽度s=2μm较佳。研究表明,非对称脊波导单模条件区域仍能满足实际应用要求。     

侧面抛磨极化光纤的传输特性分析

针对侧面抛磨极化光纤的物理结构，提出了极化光纤的双金属包覆六层波导模型，并对其传输特性进行了分析。分析指出，由于金属电极镀在极化光纤的侧面抛磨平面上，极化光纤中传播的光具有偏振消光特性。对极化光纤的传输特性影响较大的器件结构参量为被抛磨侧面与纤芯的距离，以及紧邻阳极的绝缘胶厚度。     

高斯光束计算平板波导自由传输区远场分布及其修正

对近轴近似条件下求解亥姆霍兹方程得到的高斯光束显式传播公式做了分析，同时，基于基尔霍夫衍射理论，在菲涅耳近似的条件下给出了相应的高斯光束在远场的传播公式，在此基础上，对近轴近似条件做出了定量分析，给出了这个近似条件引入的误差，提出了一种计算高斯光束远场分布的修正方法，并采用有限差分-光束传播方法(FD-BPM)来检验各种方法的准确性。把这种修正方法应用到平面光集成波导器件，如阵列波导光栅(AWG)、蚀刻衍射光栅(EDG)等器件的设计和模拟中，可以大大降低工作的复杂性，同时可以得到精确的结果。     

光纤到户用单纤三向复用器芯片的研究

采用非对称Y分支波导和多模干涉型耦合器级联的方案设计出了一种光纤到户用单纤三向复用器芯片.模拟光谱响应结果表明,三个波长输出光斑清晰,实现了1 490 nm和1 550 nm下行波长的下传和1 310 nm波长的上传.有限差分束传播法模拟结果表明:该器件插入损耗小于1.49 dB,三个响应波长的带宽满足ITU.984 规定的带宽要求|1 310 nm上传信号隔离度达到47 dB以上,1 490 nm与1 550 nm间信号隔离度达到29 dB以上.     

Spatial harmonics modelling of planar periodic segmented waveguides

A theoretical approach based on Bloch theorem and spatial harmonics has been used to investigate the propagation characteristics in planar periodic segmented waveguides. This analytical method allows to evaluate the field distribution, the effective index and the propagation losses of these structures, taking into account both the propagating and the counterpropagating field components, thus evidencing all the phenomena which can take place in: Bragg reflections, leaky waves, etc. Results for TE fields are presented and compared with those obtained using a paraxial 2D FD-BPM method and a Padé based one, showing that no more than (1, 1) order approximants are needed to provide good estimates of the device characteristics.     

基于有机聚合物的M-Z波导设计

M-Z光波导是有机聚合物电光调制器的重要结构单元.将有效折射率法与二维差分束传播法相结合,利用有效折射率法计算了聚合物脊形波导的横向折射率分布及有效折射率.由Maxwell方程出发,结合辐射透明边界条件,采用Crank-Nicholson差分格式,得出有限差分束传播法的计算格式.通过对M-Z型波导结构中TM模的传播及损...