光栅作用下双波导间的反向耦合

本文根据非正交模理论导出了描述光栅作用下双波导间反向耦合的耦合模方程组.通过数值计算对这种结构的反向耦合特性进行了初探,并同光栅作用下单波导反向耦合特性作了比较.     

互易波导模式耦合理论

波导中模式耦合是一种普遍的现象.在光纤通信中不同导模之间的耦合会引起串扰,导模和辐射模的耦合会降低导模的功率.另一方面,利用模式耦合现象能设计出具有特定功能的耦合器和分束器等光学器件.模式耦合在光纤通信和光纤传感中也具有广泛应用.因此,分析研究波导模式如何耦合具有重要的应用价值.模式耦合理论是研究波导中模式耦合的常用方法,不仅提供了一种直观的物理图景来描述光学模式如何杂化,而且还对相关模式如何杂化给出定量评估.近年来,以宇称时间对称性结构为代表的非厄米波导成为研究热点,但传统模式耦合理论在这种情况下不再适用.本文简述了模式耦合理论的发展历史,详细介绍了构造互易波导模式耦合理论的关键概念和方法,进一步回顾了在波导模式耦合理论方面的一系列代表性工作,尤其是手征对称模式耦合理论以及广义模式耦合理论,总结了这些模式耦合理论和传统模式耦合理论之间的联系,最后简单介绍了它们在宇称时间对称波导及各向异性波导中的应用.     

光子晶体波导与微谐振器耦合特性的研究

在利用耦合模理论(CMT)研究了谐振器与波导之间耦合工作特性的基础上,在二维正方格子光子晶体中设计了两种对称的带有5×5微谐振器的弯折波导。采用时域有限差分法(FDTD)研究了波导的传输特性,结果表明:通过改变微谐振器中心缺陷柱半径大小,波导与微谐振器之间引入了不同的耦合谐振模式,得到了9个通带;这两种波导结构都具有窄带通的特性,其带通频率随微谐振器缺陷柱半径增加向低频移动;微谐振器相同时,侧向耦合波导输出端口通带中心频率强度衰减较直接耦合波导的小,实现了波导与谐振腔之间更强的耦合作用。这两种微型波导均可作为信号处理接口,用于窄带滤波及网络互连器件设计,在光通信、集成光路、光谱传感等领域具有潜在应用价值。     

统一非对称光波导横向耦合模理论分析

光波导横向耦合模理论包含正交耦合模理论和非正交耦合模理论两大类, 为了追求形式上的完美, 两类理论没有统一的解析解, 并且都没有对非匹配耦合系统中耦合功率的非对称性进行深入研究. 本文一方面由Helmholtz方程出发推导出了一种新型的非正交耦合模方程, 并对两类理论中的耦合模方程进行了统一处理和求解, 得到了一种统一的解析解; 另一方面根据所得到的统一的解析解对非匹配耦合系统中耦合功率的非对称性进行了详细研究, 计算结果表明非匹配耦合系统中的最大互耦合功率和最小自耦合功率均可用统一的解析解进行近似计算. 关键词： 光波导 耦合模理论 耦合器 最大耦合功率     

多波导阵列耦合研究

提出了一种求解波导阵列耦合特性的方法.采用拉普拉斯变换,将同时考虑相邻和次相邻波导耦合作用的波导阵列耦合模方程组变为一个线性方程组,利用矩阵的LU分解法(将系数矩阵分解为单位下三角阵L与上三角阵U的乘积)求出该线性方程组的解.然后根据给定的初始条件进行拉普拉斯变换反演,求出耦合模方程组的解.采用该方法研究了五波导阵列,光从中间一个波导入射和从五个波导入射时的耦合特性,给出了每个波导中光功率变化规律曲线,并将所得结果与同样条件下仅考虑相邻波导耦合的结果做了比较.采用该方法可以求出任意数目波导组成的阵列,考虑任意波导之间耦合的耦合模方程组的解.     

非平行波导耦合理论研究

利用耦合模理论对非平行波导耦合特性进行了研究，得到了非平行波导的普遍性耦合方程及耦合系数表达式.进一步采用小角度近似，给出了几种情况下的计算结果，并与目前报道的利用其他方法计算的结果做了比较.研究表明，不同方法得到的波导中光功率虽然在远距离处都趋于稳定不变，但稳定功率的大小有明显的差别；另外由新提出方法得到的近距离处光功率随着传输距离的起伏变化更为明显.由于该方法同时考虑了非平行波导中光场相位和振幅对耦合方程和耦合系数的影响，因而所得结果能更全面地反映非平行波导的耦合特性，对实际应用更有意义. 关键词： 非平行波导 耦合方程 耦合系数     

基于弱耦合模理论的空间多波导耦合特性研究

不在同一平面的空间多波导中光耦合发生在横截面两个方向,利用空间多波导可以方便、有效地实现不同层间器件的互连。将平面波导耦合模理论推广到空间多波导之间的耦合,在弱导引条件下给出了空间多波导的耦合方程。利用该耦合方程对三维集成光学器件中常见的空间三波导和空间四波导的耦合特性进行分析,得出光强分布及耦合长度的解析表达式,并用三维全矢量光束传输法验证了分析结果。分析结果表明利用空间多波导可以实现水平和垂直两个方向上的均匀或非均匀分束,为利用空间多波导之间相互耦合的三维定向耦合器件的设计和分析提供理论基础。     

左手材料薄板波导中模式之间的正交关系

基于电磁场理论,采用直接计算的方法证明了左手材料薄板波导中各个模式是相互正交的,即不同传播模之间、传播模与辐射模以及不同辐射模之间是相互正交的.这为研究左手材料薄板波导中的模式耦合奠定了基础. 关键词： 左手材料 薄板波导 模式 正交关系     

Fermi折射率分布光波导的模方程

对Fermi折射率分布的特性进行了分析,用光线理论推导出Fermi折射率平面光波导的近似超越模方程.理论分析和实验结果比较表明,Fermi折射率分布函数能较好地描述准阶跃渐变折射率.得到的近似模方程相当精确地决定了这类波导的模式特性,比阶跃折射率近似精确.     

平行光子晶体波导的传输特性及应用

采用时域有限差分法研究两平行光子晶体波导的传输特性及模场分布,利用耦合模理论计算光子晶体波导的耦合系数。计算结果表明,在不同的频率范围内两平行光子晶体波导之间表现出不同的耦合特性:在高频段(0.32~0.44)(ωa/2πc)的范围内两直波导表现出相互的能量交换,实现光耦合,耦合系数随入射波 频率增加而减小;而在低频段(0.29~0.32)(ωa/2πc)的范围内,两波导的传输谱图几乎重合。最后,提出一种采用固定波导耦合长度同时实现光分束及光均分器的方案,当耦合长度取34a时,可将频率为0.333 (ωa/2πc)和 0.357(ωa/2πc)的两入射波分束传播,同时将低频段中的任意频率波进行能量均分。     

准相位匹配级联二阶非线性全光波长转换研究

对基于级联和频差频非线性效应铌酸锂光波导新型全光波长转换器进行了理论研究。这种新型波长变换器需要两束抽运光源,它将输入的抽运光波长置于信号光波段窗口的两边,抽运光波长与信号光波长相近容易实现最佳耦合又不会占用信号波段,而且具有偏振不敏感的优点。从建立级联和频差频铌酸锂光波导全光波长转换器的理论模型出发,给出了波导中光相互作用的耦合模方程;利用逐步法详细推导了耦合模方程的解,得出了物理意义清晰的转换光功率表达式,分析了非线性晶体相互作用长度、抽运光功率对转换效率的影响,为级联和频差频铌酸锂光波导全光波长转换器优化设计提供了理论依据。     

多波导定向耦合器耦合特性

利用拉普拉斯变换,将多波导定向耦合器的耦合模方程组变换为三对角线性方程组,并采用追赶法求出了该方程组的通解;进一步,给定初始条件,进行拉普拉斯变换反演,即可严格地求出该耦合模方程组的解。采用该方法研究了5波导定向耦合器光从一个波导入射和等光强从5个波导入射时的耦合特性,求出了耦合模方程组解的解析表达式,给出了每个波导中光功率变化规律曲线。利用该方法,可很方便地求出任意有限数目波导组成的定向耦合器在任意入射条件下耦合模方程组的解,因此对于多波导定向耦合器结构的合理设计,具有非常重要的意义。     

多频微波静磁波与导波光互作用研究

分析了磁光薄膜中同时激发的多个频率的静磁波对导波光的衍射作用过程,以三频为例推导了三级近似的耦合模方程,对于两频磁光作用的理论计算与实验基本一致.对于三频磁光作用,数值分析结果表明：对于主衍射效率（Principle Diffraction Efficiency,PDE）,小信号时只需考虑一级磁光作用.在超出小信号范围且PDE达到峰值之前,第三级磁光作用对PDE影响很小,只需考虑前两级磁光作用.小信号时,得到了PDE的近似解析表达式,在一定的频率间隔范围内与耦合方程的一级近似解较为符合.     

Contradirectional couplers in silicon-on-insulator rib waveguides

We demonstrate contradirectional couplers in silicon-on-insulator rib waveguides using a CMOS compatible technology, in which a periodic dielectric perturbation is introduced in the coupling region between two different-sized rib waveguides. This structure enables high fabrication tolerances for narrow-bandwidth add-drop filters, using commercially available deep-ultraviolet lithography, that do not suffer from having a free spectral range. The simulation using coupled-mode theory and mode-profile calculations shows good agreement with experiment. A narrow bandwidth of 0.35?nm and a low loss of less than 1?dB have been achieved experimentally.     

Complex coupled-mode theory for tapered optical waveguides

A coupled-mode formulation based on complex local modes is developed for tapered and longitudinally varying optical waveguides. Different from the conventional coupled-mode theory that requires integration over the entire spectrum of radiation modes, the new formulation treats the radiation fields via discrete complex modes similarly to the guided modes. Accuracy, convergence, and scope of validity for the solutions of the complex coupled-mode equations are investigated in detail for a typical single-mode waveguide taper. It is demonstrated that the complex coupled-mode theory has overcome the difficulties of the conventional theory in simulation of radiation field effects while preserving the simplicity and intuitiveness of this popular method.     

Coupled-Mode Analysis of an NRD-Guide Coupler Based on Singular Perturbation Technique

A coupled-mode formulation for an NRD-guide coupler is presented using the singular perturbation technique. The first-order and second-order perturbations are taken into account in the analysis and the coupled-mode equations based on the eigenmodes of each waveguide in isolation are derived. The propagation constants obtained by these equations are compared with those by the exact theory, conventional coupled-mode theory, and improved coupled-mode theory. The numerical results of present formulation are in good agreement with the exact theory and superior to those of the other formulations.