（光学专业论文）基于微流控技术光分路器性能的研究与分析.pdf

南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业： 研究方向： 作者： 指导教师： 题目： 英文题目： 主题词： 理学光学 导波光学理论与应用 干雪 l = = l 徐宁 y 0 7 1 6 4 2 副教授 基于微流控技术光分路器性能的研究与分析 a n a l y s i sa n dr e s e a r c ho no p t i c a lp o w e r s p l i t t e rb a s e do nm i c r o f l u i d i cc o n t r o lt e c h n o l o g y 光分路器，微流控，光波导，可调谐光分路器 无源光网络 k e y w o r d s ： o p t i c a l p o w e r s p l i t t e r , m i o p t i c a lw a v e g u i d e ，t u n a l eo p o p t i c a ln e t w o r k 7洲1 9眦45洲7 l删y 南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 在日益增长的宽带服务业务和接入需求的驱使下，光纤到户凭借极大的带宽成为最理 想的接入网技术。作为光纤到户的解决方案，无源光网络的大规模部署需要依靠低成本和 高性能的无源光器件。光分路器是无源光网络中的核心光器件之一，本文以研究实用的光 分路器为目的提出一种新型结构，这种结构与传统的级联y 分路器相比具有制作工艺简单， 可重复性高等显著优点；并且在优化后的y 分路器的结构基础上，提出一种基于微流控技 术的可调谐光分路器，这种可调谐光分路器具有结构简单，制作方便，灵敏性高等优点。 本文的主要内容包括以下几部分： 首先，深入研究了光波导的相关基本理论。从麦克斯韦电磁方程组出发阐述了光波导 的传输条件和理论分析方法。研究了平面光波导的耦合理论分析法和电磁场分析法，条形 波导的马卡梯里法，为器件的设计分析打下坚实的理论基础。 其次，从研究和分析光分路器中基本单元y 分支的损耗出发，对y 分支的结构展开具 体的设计和优化。其中包括输入波导，输出波导、y 分支的形状、y 分支间的夹角等局部 设计。采用o p t i b p m 仿真软件分析y 分支的形状和分支夹角、以及输入波导的形状和宽 度等结构参数对插入损耗与分光均匀度的影响。综合优化后的局部设计，为克服分支间距 太大而导致传输损耗太大的缺点，给出1 4 的光分路器的最终设计方案，仿真模拟结果 表明新型结构的插入损耗和均匀度均符合应用的标准。 最后，将微流控技术运用在可调谐光分路器的设计和实现中。其中包括提出利用微流 控技术实现可调谐功能的原理，介绍可调谐光分路器的具体结构和实现方法。并且采用 o p t i b p m 仿真软件仿真和分析了可调光分路器的分支2 中液体折射率的改变对光分路器输 出功率的影响，最终的结果表明基于微流控技术的可调谐光分路器具有可调谐范围大，调 控方法简单，光学元件少，生产成本低等优点。 关键词：光分路器、微流控、光波导、可调谐光分路器、无源光网络 a b s t r a c t d r i v e nb yt h ei n c r e a s i n gd e m a n df o rb r o a d b a n ds e r v i c e sa n da c c e s s ，f i b e r - t o t h e 。h o m e ( f t t h ) h a sn o wb e c o m ead e s i r a b l et e c h n o l o g yf o r a c c e s sn e t w o r k ( a n ) o w i n gt oi t s e n o r m o u sb a n d w i d t h m e a n w h i l e ，t h ed e p l o y m e n to fl a r g e - s c a l ep a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k s ，a sa m a j o rs o l u t i o nt of r f h ，c a l l sf o rd e v i c e st h a ta r ew i t hb o t hh i g hp e r f o r m a n c ea n dl o w c o s t i n p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k s ，o p t i c a lp o w e rs p l i t t e ri st h ek e yc o m p o n e n tt h a ta t t r a c t s i n t e n s i v e i n t e r e s t h e n c e ，w ea i ma tt h ed e s i g no fan o v e la n dp r a c t i c a lo p t i c a ls p l i t t e r , w h i c h i s c o m p a r a t i v e l ys i m p l ea n dr e p e a t a b l ei np r o d u c t i o n b a s e d o nm i c r o f l u i d i ct e c h n o l o g y , w e p r o p o s e at u n a b l eo p t i c a ls p l i t t e r , w h i c hc o m b i n e st h ea d v a n t a g e so fs i m p l es t r u c t u r e ，c o n v e n i e n t f a b r i c a t i o na n dh i g hs e n s i t i v i t y t h i sd i s s e r t a t i o ni so r g a n i z e da sf o l l o w s ： f i r s t l y , t h ef u n d a m e n t a lt h e o r i e so fo p t i c a lw a v e g u i d e sa n dr e l a t e d a l et h o r o u g h l ys u r v e y e d t h ew a v e g u i d ep r o p a g a t i o nc o n d i t i o n sa n da n a l y t i c a lm e t h o d sa r ed e d u c e df r o mm a x w e l l s e q u a t i o n s m o r e o v e r , t h eo p t i c a lw a v e g u i d ec o u p l i n gt h e o r y , e l e c t r o m a g n e t i cf i e l dt h e o r y f o r p l a n a rw a v e g u i d e sa n d t h em a r c a t i l i sm e t h o df o rs t r i pw a v e g u i d e sa r ei n t r o d u c e d w eh o p et h a t t h i sp a r tc o u l ds e r v ea ss o l i dt h e o r e t i c a lf o u n d a t i o n sf o rf u t u r ew o r k s e c o n d l y , d e t a i l e ds t r u c t u r eo fy - b r a n c ho p t i c a lp o w e rs p l i t t e r i sg i v e na n do p t i m i z e d 堕室墅皇奎堂堡主婴窒竺堂垡堡壅 一 垒鉴型兰垒l _ - _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ 。_ _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ 。_ _ 。一一 k e y w o r d s ：o p t i c a lp o w e rs p l i t t e r , m i c r o f l u i d i cc o n t r o l ，o p t i c a lw a v e g u i d e ，t u n a l eo p t i c a l s p l i t t e r , p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k i i i 南京邮电大学硕士研究生学位论文 目录 目录 第一章绪论：1 1 1 引言1 1 2 光分路器的研究现状及趋势2 1 3 光分路器的分类及技术指标4 1 4 本论文主要工作和创新点7 第二章光波导理论9 2 1 光波导的结构与分类9 2 2 电磁场理论1 0 2 3 耦合模理论1 2 2 4 本章小结1 5 第三章光分路器的设计与仿真分析1 6 3 1 光分路器的损耗分析1 6 3 2y 分路器的优化1 9 3 2 1y 分支形状的优化1 9 3 2 2 输入波导的优化2 1 3 2 3 输出波导优化2 6 3 2 4y 分路器最终优化结构2 7 3 31x n 光分路器的设计和仿真分析2 8 3 3 1 光分路器设计的基本思想2 9 3 3 2 光分路器具体结构设计3 0 3 3 3 光分路器弯曲路径的优化设计3 l 3 3 4 光分路器优化后性能分析3 2 3 4 本章小结3 3 第四章基于微流控技术光分路器的研究3 4 4 1 可调谐光分路器的实现技术3 4 4 1 1 可变透射率反射率膜片可调分光技术3 4 4 1 2 声光电光偏转可调分光技术3 5 4 1 3m a c h z e h n d e r 干涉可调分光技术3 6 i v 南京邮电大学硕士研究生学位论文 目录 4 2 微流控技术及理论基础3 7 4 2 1 微流控技术及微流控芯片3 7 4 。2 3 微流控实现可调的理论基础3 8 4 3 可调谐光分路器的设计和仿真分析3 9 4 3 1 可调谐光分路器基本结构设计3 9 4 3 2 可调谐光分路器的工作原理4 0 4 3 3 可调谐光分路器仿真与分析4 1 4 3 4 可调谐光分路器实现方案4 4 4 4 本章小结4 7 第五章结束语4 8 致谢5 0 参考文献5 1 硕士研究生期间发表论文情况5 5 v 南京邮电大学硕士研究生学位论文 绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着人们对于信息的需求与日俱增，通信的便利性也随之日趋重要，信息产业已逐渐 成为世界各国的支柱产业。与此同时通信领域的信息传输容量也在迅速膨胀，在过去的十 年中，通信容量以前所未有的速度增加了1 0 0 倍。随着i n t e m e t 的普及，通信数据业务量 迅猛增长，人们对宽带的需求越来越大，信息时代同样要求大容量的传输网络，于是光纤 传输技术应运而生。 从1 9 7 7 年世界上第一根商用光纤在美国芝加哥的两个相距7 公里的电话之间开通， 到如今光纤通信技术的广泛实用化，其凭借传输介质光纤巨大的频带资源和优异的传输特 性等优点获得了迅猛的发展。而光纤通信是以光波作为信息载体、以光导纤维作为传输介 质的一种通讯手段，由于光纤通信具有容量大、可靠性强等突出优点，使之成为影响2 1 世纪的最新技术之一，而且成为宽带综合业务数字网( b i s d n ) 的骨干。由于人们对不同 种类信息的需求越来越多，伴随而来的是不断增长的i p 数据、语音、多媒体图像等多种新 业务需求【l 】。未来的信息网络基础必将是以i p 来承载包括语音、图像、数据等在内的多种 业务。爆炸式增长的i p 业务给传统的电信业务带来巨大的冲击和挑战，同时也为电信网的 发展提供了新的机遇，电信网上各种新业务的开展将成为推动光通信领域发展的持久动 力。光通信领域又一次呈现出蓬勃发展的新局面，成为近几年来发展最为迅猛的技术。 从光通信发展历史看，所有以光纤作传输媒质连接传输设备( 节点) 构成的网络都可 以称为光网络【2 】。纵观近十余年的光通信发展史，光网络正沿着“点到点一链_ 环_ 多环_ 网状网”的方向发展。但是随着网络带宽需求的不断增加，i p 数据、语音、多媒体图像等 多种新业务不断增长的需求，光网络灵活性将向着“静态叶半动态_ 动态”的方向发展。智 能全光网络发展将是未来光网络发展的必然趋势。智能光网络将s d h 故障管理、性能监 测和恢复功能、d w d m 容量、以i p 为基础的联网规约，先进的配置软件和创新的系统以 及管理软件有机地结合在一起，形成一个更具有伸缩性、以数据为中心的基础平台。从而 把光层从一个静态的传输媒体变成一种智能的网络结构，并可以直接从光域提供各种灵活 的、高速增值业务。 光传送n ( o p t i c a lt r a n s p o r tn e t w o r k ，o t n ) 是未来智能光网络的核心部分之一，由一系 列网元连接而成，结合网管系统，为上层业务提供相应的服务。其网络体系架构通常分为 1 南京邮电大学硕士研究生学位论文 绪论 广域网j ( l o n gh a u ln e t w o r k ) 、城域网l ( m e t r on e t w o r k ) 和接峒( a c c e s sn e t w o r k ) _ 三级。其中 广域网为全互连的网格结构，节点采用n 维o x c ；城域网和接入网为双向光纤环网结构， 节点分别采用二维r o a d m 和解复用器( d e m u l t i p l e x e r ，d e m u x ) ；广域网与城域网之间通过 一个二维r o a d m 节点连通，城域网与接入网之间通过一个四维o x c 节点连通。从接入网 到终端用户的分配网络臣0 f t t x 接入，包括光纤到户( f i b e rt ot h eh o m e ，f t t h ) 、光纤到建筑 ( f i b e rt ot h eb u i l d i n g ，f t t b ) 、光纤至l j n j 2 2 ( f i b e rt ot h ec u r b ，f t t c ) 等等【3 5 】。而光功率分配 器( 以下简称光分路器) 作为f t t x 的核心无源光器件，引起人们极大的兴趣。 1 2 光分路器的研究现状及趋势 光分路器在光通信系统、光纤用户网、光纤c a t v 、光无源网络( p o n ) 、光局域网等 领域中被广泛应用，它常常用来实现对光路连接、光信号传输方向控制、光信号功率分配、 各器件之间的耦合控制等。因此，在光接入网使用无源光器件中，光分路器和波分复用器 最为重要，成为无源光接入网( p o n ) 的核心【6 】。 国际电信联盟( i t u ) 将光耦合器( 包括光分路器) 定义为“具有集成化、多功能的部 件”。它的发展大致可分为三个阶段【9 1 ：2 0 世纪8 0 年代，为了探讨制造光耦合器的工艺方 法，各种结构和制作方法应运而生；9 0 年代，各种结构和工艺的优缺点逐渐分明，形成以 玻璃、晶体、半导体和有机物为主要材料，以x 型、y 型、星形和树形等为主要结构的局 面；2 0 世纪末2 1 世纪初，为适应光纤接入网和局域网的要求，光分路器进入了第三个发 展阶段。客观要求新一代光分路器具有体积小、耗损低、重量轻、可靠性高、易集成以及 性能价格比最佳。 光分路器是光通信要快速发展中不可缺少的光无源器件。随着光通信技术的飞速的发 展，特别是耦合器和波分复用器( w d m ) 的广泛应用，世界范围内对光分路器的需求量 大大增加。德国d e u t s h e t e l e c o m 公司的o p a l 9 4 工程( f t t c 型式) 中，5 0 万用户共用了 1 万只耦合器( 其中四分之一为光分路器) ，平均每5 0 户需要一个。1 9 9 3 年1 9 9 9 年，美 国市场上的光分路器销售量以1 5 的速度增长【i o 】。美国f l e c k 公司在1 9 9 9 年前，全球光纤 用户网的用户数将超过l 亿。e l e c t r o n i c a s t 公司统计】，2 0 0 1 年，全球光分路器市场规模 约为6 亿2 千万美元，在2 0 0 5 年，这个数字将会达到1 1 8 亿美元，而预计2 0 1 0 年将增加 到2 8 亿美元。e l e c t r o n i c a s t 公司总裁s t e p h e nm o n t g o m e r y 表示，高效能传输系统如光纤放 大器、d w d m 与o a d m 同渐普及的因素，是驱使全光功率分配器市场消耗量不断成长的 主要原因。光分路器可在各种不同格式中让组件得以使用在不同的应用中，例如长途海底 2 南京邮电人学硕士研究生学位论文 绪论 网络、用户回路网络、有线电视网络、测试仪器与传感器中。目前在欧洲地区发展光分路 器的主导国家包括德国、英国、。法国和意大利。 日本是世界上最大的光分路器生产基地。1 9 9 7 年其市场值达1 0 亿日元，比1 9 9 4 年增 长了4 5 7 ，2 0 0 1 年达到了2 l 亿日元。据通产省新统计，日本的光分路器的产量在2 0 0 1 年的前半年达4 4 3 万只，比2 0 0 0 年同月增长了5 0 。该国主要采用离子交换技术生产， 约占光分路器销售总值的5 0 以上，市场前景非常乐观，主要是有成本低、易集成、性能 稳定等优点。同时也是世界上唯一的国家采用离子交换技术生产光分路器打入国际市场。 台湾光电子工业及技术发展协会( p i d a ) 的调查显示：台湾有近1 0 家制造商生产各种光 分路器，每月可生产8 万只，占世界总产量的6 7 。我国光纤无源器件的发展与国外相比， 大约晚5 到1 0 年。1 9 8 9 年光分路器在全国的实际用量非常小，还不到1 0 0 0 只，而到1 9 9 4 年就达到超过1 0 万只，2 0 0 2 年已超过7 0 万只，2 0 0 5 年达到1 3 0 万只。而由于当前全球 光纤到户用户发展及其迅速，截至0 8 年底，欧洲的光纤到户用户数量接近2 4 0 万户，北 美光纤到户用户数量到1 0 年三月底光纤到户用户以后达到4 4 0 万，日本将达到1 4 5 0 万户 的规模。在我国，随着电信重组的完成和3 g 牌照的发放，我国积极部署光纤接入网，开 展大规模集中采购，电信今年第一季度我国通信制造业累计完成投资3 9 9 亿元，同比增长 1 0 5 。并且中国f t r x 市场已经进入大规模推广期，这将带动光器件、光模块和光纤线 缆的需求增长，根据光电新闻网的数据显示，目前国内波导型光分路器领域的第一军团雏 形已经形成，分别是博创、无锡爱沃富和中山奥康等，月产量都接近或超过2 万件。所以， 光分路器产业在我国蕴含着巨大的市场前景。 随着光纤接入网技术的发展，尤其是光纤到户( f t t h ) 、光纤到路( f t t c ) 、光纤到 楼( f t t b ) 的技术也同样促进了光纤通信的发展。近年来光纤到户技术逐渐成为了光纤通 信的一个亮点，是解决从互联网主干网到用户桌面的“最后一公里”瓶颈现象的最佳方案。 据报道，在2 0 0 4 年的o f c 和a p o c 会议上，光纤到户成为了最为关注的课题。光纤到户 是信息社会成熟与否的重要标志，它能为人类提供随地办公的条件，电子商务、政务、金 融等等诸多方面都将在这超大容量的光纤到户网上进行。从另一角度看，由于光纤到户为 人们提供了可以在任何地方、任何时间上班工作的条件，从而有效地解决了交通阻塞的重 大问题，同时也节省了大量的能源，减少了坏境污染，据统计全世界交通所消耗的能源约 占全球消耗总能源的3 0 以上。可以说，光纤到户为人类社会的持续发展提供了最有力的 支持。在我国，光纤到户也是势在必行，光纤到户的实验网也已经在武汉、成都等城市开 展，预计在2 0 1 2 年前后，在我国从沿海到内地，从东到西将兴起光纤到户建设的高潮。 因此随着使用p o n 技术的f t t h 在全球的迅速扩张，光分路器用量迅速膨胀，通信设备 3 南京邮电人学硕士研究生学位论文 靖论 制造商也把f t t h 作为光纤通信发展的又一亮点，光器件制造商、光纤光缆制造商推出适 用于光纤到户的光电子器件和光纤光缆。自2 0 0 8 年下半年开始，我国在光无源器件方面 研制和生产的单位己逐渐增多，国内诸多制作光分路器的厂商订单开始增多，进入2 0 0 9 年，有些厂商由于订单爆满而让产能满负荷。如福州的华科公司、康顺公司，已成为国际 上的主要供应商，在世界上打响了品牌。上海和平公司、厦门安特公司占领了国内光分路 器、波分复用器的主要市场。业内人士指出，目前常规的光纤连接器、光分路器等产品供 大于求，价格竞争激烈【1 2 】。但是国内至目前为止，由于技术原因还未有一家采用自己专利 技术生产光分路器，这是国内一大空白。 1 3 光分路器的分类及技术指标 光分路器的技术主要有平面光波导技术和熔融拉锥技术两种，熔融拉锥技术又可以分 为一次熔锥光分路器和多个1 2 串接式光分路器。熔融拉锥技术是将两根或多根光纤捆在 一起，然后在拉锥机上熔融拉伸，拉伸过程中监控各路光纤耦合分光比，分光比达到要求 后结束熔融拉伸，其中一端保留一根光纤( 其余剪掉) 作为输入端，另一端则作多路输出 端。平面波导技术是用半导体工艺( 光刻、腐蚀、显影等技术) 制作光波导分支器件，光 波导阵列位于芯片的上表面，分路功能在芯片上完成( 目前可以在一块芯片上实现l x 3 2 以上的分路) ，然后在芯片两端分别耦合封装输入端和输出端多通道光纤阵列。 平面波导型光分路器与熔融拉锥式光分路器相比，平面波导型光分路器的优点有：( 1 ) 损耗对光波长不敏感，可以满足不同波长的传输需要。( 2 ) 分光均匀，可以将信号均匀 分配给用户。( 3 ) 结构紧凑，体积小，可以直接安装在现有的各种交接箱内，不需留出 很大的安装空间。( 4 ) 单只器件分路通道很多，可以达到3 2 路以上一( 5 ) 多路成本低， 分路数越多，成本优势越明显。 同时，平面波导型光分路器的主要缺点有：( 1 ) 器件制作工艺复杂，技术门槛较高， 目前芯片被国外几家公司垄断，国内能够大批量封装生产的企业很少。( 2 ) 相对于熔融 拉锥式分路器成本较高，特别在低通道分路器方面更处于劣势。平面光波导技术由于采用 半导体技术，工艺稳定性、一致性好，损耗与光波长不相关，通道均匀性好，结构紧凑体 积小，大规模产业化技术成熟，已经被闩本、美国、韩国、法国等多数国家指定采用技术。 常用的平面波导型光分路器有1 x n 和2 n ( n = 4 ，8 ，1 6 ，3 2 ，6 4 ) 。图1 1 为杭州市电信 规划设计院有限公司的平面波导型光分路器的其内部结构和实物照片【l 引。 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 绪论 ( a ) 内部结构 嘴粥眇阁 ( b ) 实物 图1 1 杭州l 乜信公司的平面波导型光分路器内部结构和实物【i j 】 因此，近年来平面光波导技术极具吸引力，它不但能够满足光电子器件智能化的要求， 而且为光集成、光电集成提供有效的载体，同时它本身也是光集成的一种形式。平面光波 导器件相对于传统的分立元件不仅性能稳定、功耗低，而且易于实现复杂的通信功能。这 些器件的工艺实现与传统的器件有很大的不同，需要在同一衬底上做多个光器件或光电器 件，也就是在同一个衬底上进行光集成和光电集成，对器件的制备工艺和理论设计都提出 了更高的要求。 在迅速膨胀的光分路器市场中，平面波导型多路数的树形及星形分配器将变得越来越 重要，这是由于光分路器用量最大的各种光纤网络用户数的增多的原因。为适应这种情况， 一方面需要能获得大功率的光源，另一方面要不断在增加分配器路数的同时，进一步降低 附加损耗、减小器件体积、并提高使用可靠性。为此新一代光分路器必定是以体积小、耗 损低、重量轻、可靠性高、易集成以及性能价格比最佳出现。目前国内外已有这方面的研 究。其中c o m i n g 公司和i n t e l l i s e n s ec o r p 达成协议合作开发分路器等光通信产品 1 4 】。 国内一些科研院所和企业单位正大力研发平面波导型光分路器等无源器件，满足新一 代光分路器的要求，例如：浙江大学采用l i n b 0 3 制作多模干涉光波导分路器，已有成效； 上海交通大学采用退火方法制作波导型光分路器，但只能是处于实验初步阶段；南师范大 学研究所也正用自己专利技术离子交换来研制玻璃波导s 型光分路器等等。 光功分器从结构上分为y 型、x 型、星形和树形四种类型。y 型光分路器又有多模和 单模、光纤和波导、对称和非对称之分。x 型光分路器有熔融拉锥型和波导型，对称和非 对称型之分。星形光分路器是指具有n x n ( n 2 ) 端口组念的分配器系列，是星形网络的 关键器件。其制作方法一般为直接拉制法和基本单元拼接法。树形光分路器是指l ( 2 ) x n ( n 2 ) 端口组念的功率分配器系列，它是光纤c a t v 等技术中的重要器件。 光分路器作为光信号传输的重要部件，其最主要性能指标有插入损耗( i n s e r t i o nl o s s ) 、 南京邮电大学硕上研究生学位论文 绪论 附加损耗( e x c e s sl o s s ) 和分光l l , ( c o u p l i n gr a t i o ) - 三项。 ( 1 ) 插入损耗( i n s e r t o i n l o s s ) ：f 1 l j 输出端口的光功率相对全部输入光功率的减少值，以 分i f l ( d b ) 表示，数学表达式为 d 。= 1 0l g 等伽) ( 1 1 ) 式中三。是第i 个输出端口的插入损耗；p o u 订是第i 个输出端口的光功率值，是输入端的 光功率值。 ( 2 ) 附加损耗( e x c c s sl o s s ) ：所有输出端口的光功率总和相对于全部输入光功率的减小 值，该值以分贝( d b ) 表示的数学表达式为 肌叫o l g 崔互汹) ( 1 2 ) ( 3 ) 分光l 匕( c o u p l i n g r a t i o ) ：耦合器各输出端口的输出功率的比值，在具体应用中经常用 相对输出总功率的百分比来表示 c r = po u t l vp 厶 o o u t ( 1 3 ) ( 4 ) 均匀。i 生( u n o f i r m i t y ) ：对于要求均匀分光的光耦合器( 主要是树形和星形器件) ，实际制 作时，因为工艺的局限，往往不可能做到绝对的均分。均匀性是用来衡量均分器件不均匀 程度的参数。它定义为在器件的工作带宽范围内，输出端口输出光功率的最大变化量。其 数学表达式为 ，三= 一1 。l g 碉m i n ( p o v r ) 汹) 一 ( 1 4 ) 附加损耗是体现器件制造工艺质量的指标，反映的是器件制作过程带来的固有损耗； 而插入损耗则表示的是各个输出端1 ：3 的输出功率状况，指光穿过耦合器的某一光通道所引 起的功率损耗，不仅有固有损耗的因素，更考虑了分光比的影响。因此，分光器的插入损 耗= 分光损耗+ 分光附加损耗。 目前，国内的行业标准对平面波导型光分路器的光学特性指标没有十分明确的规定， 制造商、运营商以及t e l c o r d i ag r 1 2 0 9 一c o r e 的标准并不完全一样。其中对于光学特性指 标要求，t e l c o r d i ag r 12 0 9 c o r e 标准是较为宽松的，电信运营商的技术规范是比较严格 的，制造商的企业标准介于两者之间。表1 2t e l c o r d i ag r 1 2 0 9 c o r e 标准中对1 ：n ( n 芝2 ) 平面波导型光分路器( 无连接器) 的光学特性指标要求8 】 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文 绪论 表1 2t e l c o r d i ag r 一1 2 0 9 一c o r e 标准中对1 ：n ( n 三2 ) 平面波导型光分路器( 无连接器) 的光学特性 指标要求【8 】 参数 插入损耗的最大( d b ) 分光均匀性的最大值( d b ) 回波损耗的最小值( d b ) 偏振相关损耗的最大值 ( d b ) 方向性的最小值( d b ) 温度稳定性的最大值 ( - 4 0 - - 8 5 。c ) ( d b ) 波长相关损耗的最大值 ( d b ) 光分路器类型 l x 8l 1 6 1 1 0 1 4 5 0 81 2 5 0 5 0 0 20 3 5 55 5 0 6o 8 1 01 0 1 x 3 2 1 7 5 1 5 5 0 o 3 5 5 1 0 1 0 目前，部分电信运营商和制造商对此做了规定，根据t e l c o r d i ag r 1 2 0 9 c o r e 标准， 光分路器合格判定标准为插入损耗变化量( a i l ) o 3 d b ( 1x 4 光分路器及以下) ，a i l n 。 n 。，并且波导层的厚度t 大于某一临界值【1 7 】。图2 1 所示的结构即 二维光波导，又称平板波导，因为光仅在x 方向上受到限制。二维光波导可分为阶跃折射 率( s t e p i n d e x ) 光波导和渐变折射率( g r a d e d i n d e x ) 光波导，折射率分布如2 2 所示。 i ，l 一 r f 1 图2 1 光波导的基本结构 ，冬 7 节 r ，l c ， 似 x 匕二 图2 2 二维光波导折射率分布 二维光波导中，由于光波只在x 方向受限制，所以当在传输时会有部 9 南京l l l l l t 乜大学硕士研究生学位论文 光波导理论 一_ - _ - _ 。_ 。_ _ _ - _ - _ _ _ _ _ - _ 。- _ _ _ _ _ _ 。- _ _ _ - - _ _ _ _ ，- _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ - - - _ - _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ - _ - _ _ _ _ - - _ - - _ _ _ _ _ _ - - _ - _ _ - _ _ _ 。- - _ - _ _ 。_ 。_ 。- 。一 透射到其它方向。从另一方面来说，要想得到更有效的光调制必须同时在y 方向也施加限 制【1 8 】。能同时在x 、y t j 向施加限制的光波导即三维光波导，又称通道光波导( c h a n n e l w a v e g u i d e ) 。三维光波导的制作须采用微加工技术。 2 2 电磁场理论 光是波长极短的电磁波，严格遵循了麦克斯韦方程组，所有的电磁现象可以用电场强 度矢量巨( w m ) ，电位移矢量蚕( c m 2 ) ，磁场强度矢量再( a m ) ，磁感应强度矢量云 ( b m 2 ) 四个矢量来描述，它们均为空间和时间的函数。矢量间的关系可由麦克斯韦 方程组表示 v 一h ：j + 一o d g v x e o b 。 ( 2 1 ) 一 o i v b = 0 v d = p 式中j 是介质中的传导电流密度，p 是自由电荷密度。吾和一d 以及云和百的关系由物质特 性方程决定 j = e r e d = c e = 占，s o e b = i t h = t ，t o h ( 2 2 ) 其中g ，e r 和s 。分别为介质的介电常数、介质的相对介电常数以及真空的介电常数；t ， “，和风分别为介质的磁导率、介质的相对磁导率以及真空的相对磁导率。光波导中体 电荷密度p = 0 ，电导率仃= 0 ，介质的相对磁导率以= 1 ，介质的介电常数占是以位置为自 变量的标量，即g = g ( r ) 。因此光波导中的麦克斯韦方程可简化为 v 一h ：一0 d 建 v 茜：望 一 a v b = 0 v d = 0 ( 2 3 ) 将上式前两个方程取旋度，并由于v d = 占g ，v e = 0 ，v b = 鳓以及v h = 0 ，贝, u 0 - i 1 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文 光波导理论 得到 v 2 置等筹t = 。c d ( 2 。4 ) v 2 - - h 了n 2 再a 2 h = 。 ( 2 5 ) 其中c = 1 一是光波在真空中的传播速度，n = 占，介质折射率。( 2 4 ) 式和( 2 5 ) 式即 q o s o 为均匀、线性的各向同性介质中的电磁波动方程，它的解就是以速度u = c n 传播的电磁波。 在频域中，所有的场量都是以角频率缈振荡的正弦量，因而波动方程为 v 2 云+ k 。2 n 2 巨= 0 ( 2 6 ) v 2 再+ k 0 2 n m h = 0 ( 2 7 ) 式中k ；= 缈2 风占。式( 2 6 ) 和( 2 7 ) 称为亥姆霍兹方程。对于非均匀各向同质，因为 v 6 ：v 岛s ，云+ 岛占，v 巨：0 得到 从而得到 v 置：v g 置 ( 2 8 ) s ， v 2 e + k 0 2 n 2 m p 引= 。 v 2 h + k 0 2 n 2 百+ 导= 。 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 式中n 2 = 占，是以位置为自变量的函数，若介质折射率或相对介电常数随位置变化得较为缓 慢，则满足条件i v 彳i 1 ，此种介质为缓变介质。于是式( 2 9 ) 和( 2 1 。) 可简化为 v 2 茜+ k 。2 n 2 吾= 0 ( 2 1 1 ) v 2 再+ k 。2 n 2 百= 0 ( 2 1 2 ) 式( 2 11 ) 与式( 2 1 2 ) 虽然形式上相同，但两者有着重要的区别，即式( 2 11 ) 中的折射率是以空 间位置为自变量的函数。在分析光波在光波导中的传输特点时，波导的非均匀性总满足缓 变条件，因此式( 2 1 1 ) 是分析光波导中光波传播的。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 光波导理论 2 3 耦合模理论 耦合模理论不仅可以用来处理同一波导中不同电磁波模式之间的耦合，还能够处理不 同波导的电磁波模式之间的耦合问题，是一种己被证实的有效工具。它是分析各种类型的 耦合器、定向耦合型调制器与光开关、激光器等光电子器件工作原理的理论依据。对耦合 模方程的理论推导可详见如下： 在光波导中，绝大部分光都集中于波导芯层，但是总有很小部分的能量散布于覆层和 衬底。当两个介质波导邻近时，由于波导芯外消逝场的作用，两波导相互之间会发生能量 交换，此即为波导的横向耦合。而且正规光波导互相靠近时，其光场的耦合可以利用模式 的耦合来描述。图2 1 即为两根介质波导的耦合系统示意图。 图2 3 两个介质波导的耦合系统图 其中波导1 和波导2 为具有任意截面的介质波导；s 。和s ：分别代表波导1 和波导2 的表 面；f l 和f 2 为它们各自的内部区域；e 为两根波导的外区域，口。、岛、c 。和口、b 、c 分 别为所讨论耦合区域与两波导的交截面，毛= n ；、6 2 = n ；分别为波导1 和波导2 芯2 2 区的相 对介电常数；占，= n ；为两波导芯区外包层的相对介电常数。令两根波导单独存在时的模式 电磁场分别为e ，、h 。和e ：、h ：，则单独存在时波导内( e ：区) 、外( e 区) 的场分别为 荔毯y 三二篙竺e x p ( j f l ：, 小 亿 【( 工，z ) = h z ) 一 “、7 1 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 光波导理论 簿甚撩研1 - 1 2 t 是e x p 鹏( j f l 之i 小e 眩 ih ；2 ( 工，y ，z ) = 2 z ) 一 3 、 式中，上标( 1 ) 、( 2 ) 5 - k 另l j 表示波导芯内区和波导芯外区；z 表示波在z 方向的传播距离；屈为 该方向的传播常数。当两根波导同时存在时，考虑弱耦合的情况，一根波导的存在只对另 一根波导的模场有所微扰，因此，横向耦合后的总场e 和h ，基本上可以认为是两单独波 导模场之叠加，即 髓=ai，(z)e,m+a2(z)z)eh2h az ) ha ： ( 2 1 5 ) i ，= l (1 + 2 ( z ) h 2 、。 注意：此处增加了一些附加条件。第一个条件是合成场处于空间过渡态。因为合成的 光波导本质上是一个正规光波导，( 无损的) 正规光波导在稳态条件下其模的幅度是不变的， 因此式中a ( z ) 和a ：( z ) 随z 变化的写法就意味着承认了其空间过渡态。但此处的空间过渡 态有别于非正规光波导的空间过渡态，它是个光波导最初的模式场与合成的模式场有差异 而形成的。第二个条件是，尽管a 。( z ) 和a ：( z ) 是随着z 变化的，但却是缓变的，即矽乞 、| f _ 、 ，一、 n n ；1 1 uulstartce,5333bb 图3 3 归一化输出功率变化曲线 图3 3 所示的曲线是直线型y 分路器的两个分支的归一化输出功率变化曲线，从图中只 看到一条曲线，这是因为y 分路器的设计完全对称，光在y 分路器中的分支中传播时，光场 的归一化功率完全相等，因此归一化输出功率曲线完全重合。 从图可以看到： 1 本次的仿真是可以观察n 3 1 0 u m 5 3 3 3 5 5 u m 内任何一点的光场以及全程的归一化输 出功率的变化。 2 当光在y 分路器中传播时，归一化输出功率的最大值为0 9 8 2 8 7 3 ，归一化输出功率的 最小值为0 4 3 9 9 1 8 ，归一化输出功率的最大值不是1 ，是因为在光源进入波导时有损耗，这 是由于光纤与光波导在接口处存在模式失配引起的。 1 7 南京邮i 乜大学硕士研究生学位论文 光分路器的设计与仿真分析 一-_-_-_-_。-_。_-_-_。-_-_-_-_-_-_-_-_-_。_-。_-_-_-_-_-_一 3 当x = 3 0 0 0 u m 时，归一化输出功率迅速下降，这是因为光传播到y 分支区域，光场的 能量将均匀分配到两个分支内。根据插入损耗的计算公式，可得当光在y 分路器的传播过 程中插入损耗为3 4 9 1 2 5 d b ，可以看到插入损耗大于3 2 d b ，损耗是非常大的。 为更好的分析光在y 分路器传播过程中的损耗原因，对光在传播过程中的任意一点的电 场分布进行分析。图3 4 分别是x = 2 9 8 2 5 u m ，x = 3 3 0 3 2 u m ，x = 4 9 0 6 7 u m ，x = 5 2 2 7 4 u m 处的 归一化电场的分布情况。 1 xc u t = 2 9 8 2 5 】 1 0 0 ( a ) x = 2 9 8 2 5 处的归一化电场 ( b ) x = 3 3 0 3 2 处的归一化电场 ( c ) x = 4 9 0 6 7 处的归一化电场