多通道并行光模块的结构设计与性能仿真

摘要

大数据时代带来的信息风暴使得人们对于高速率高带宽信息传输的需求日益迫切。光通信因为其大容量、低损耗等特点正在逐步成为主要通讯方式之一，而光收发模块作为其中实现光电信号转换的重要器件，其产品需求越来越大。伴随着网络设备数据通道的不断增加，对并行光模块通道数的需求也不断增长，光模块正在向高速率、高密度、低成本的方向发展。本文针对高速并行光模块进行了深入的分析和研究。
　　本文首先介绍了高速并行光模块发展与应用现状，系统地描述了其组成和结构。接着引出了实现高速光模块的关键技术之一，即VCSEL阵列出射光束和光纤阵列之间的耦合问题。本文分析并总结了现有几种并行光模块中耦合结构的实现方案及其优缺点，在此基础上提出了一种新型的45°反射面二维阵列式耦合模块，使得VCSEL发射出的竖直光束在反射面上发生全反射变成水平于电路板的光束，从而耦合进入光纤传输。然后根据重叠积分的方法和高斯光束的ABCD法则，计算了此结构中VCSEL与多模光纤之间的耦合效率。当光纤与VCSEL出射端的距离H为25μm时，耦合效率为87.96％，并且随着H的增大，光耦合效率呈现下降趋势。另外，利用仿真软件构建了VCSEL模型和45°反射面二维光纤阵列模型，研究了45°反光面镀膜和光纤下方贴装微透镜对于光耦合效率的影响。考虑到实际生产中可能存在的误差，还分析了轴向偏移、角向偏移、横向偏移的偏差对光耦合效率的影响，得到了该结构的光耦合效率和其在横向、角向共六个维度的容差，并得出结论横向偏移对于光耦合效率的影响要大于轴向偏移；角向偏移小于5°时，对于耦合效率影响较小。本文仿真所得结果对光模块的生产制造有一定指导作用，文中提出的二维阵列式光耦合模块满足了对并行光模块的封装微小化和高密度的要求，解决了现有技术存在的制造成本高、可用通道数不足、微小化封装困难等问题，具有广阔的应用前景。

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1 绪论

1.1光互连

1.2 并行光收发模块

1.3 并行光收发模块的现状和发展趋势

1.4 研究内容和论文结构

2 多通道光收发模块的结构

2.1 并行光收发模块的组成

2.2 激光器的选择

2.3 光纤的介绍

2.4 光电互连接口

2.5 本章小结

3 并行光收发模块的耦合方案

3.1 VCSEL与光纤耦合的现状

3.2 改进型光纤阵列耦合方案

3.3 本章小结

4 多通道并行光收发模块光耦合的理论研究

4.1 光耦合效率的波动光学分析方法

4.2 耦合效率的数值计算结果分析

4.3 本章小结

5光耦合效率的建模分析及结果

5.1 光耦合效率的实际建模仿真结果

5.2 光耦合效率的误差分析

5.3 本章小结

6 总结及展望

6.1 全文总结

6.2 展望

致谢

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间相关成果

附录2 仿真程序