高斯光束特性分析及其在光器件中的应用

摘要

光器件是光纤通信系统的物理基础,其性能对于整个系统具有重要影响。光纤通信系统中单模光纤输出的光可以用高斯光束来近似,因此,对高斯光束的特性及其在光器件中的应用进行研究具有重要意义。本论文深入分析了高斯光束的耦合特性及其在波长选择开关、可调光学滤波器和可调光衰减器中的应用,并通过一系列实验对理论分析结果进行了验证。本论文的主要研究工作如下:
　　从两高斯光束的耦合问题入手,采用模场耦合理论,得到了高斯光束耦合效率的表达式,并分析了各种失配因素对它的影响。然后进一步推广到圆光斑与椭圆光斑耦合的情况,得到了耦合效率最大的条件。
　　研究了色散展开的高斯光束在MEMS微镜阵列上的耦合情况。并分别针对波长选择开关和可调光学滤波器两种器件,分析了微镜的占空比、光斑限制因子等因素对器件光谱特性的影响。对于波长选择开关样机,测定了其光谱特性,实验结果与理论分析十分吻合。
　　对基于自由空间结构的可调光学滤波器,建立了简化模型,仍采用模场耦合理论,得到其传输谱线的表达式,理论分析结果表明其3dB线宽随着光斑尺寸的增大而减小,继而进行了实验验证,实验结果与理论值十分吻合。
　　对基于MEMS扭镜的可调光衰减器,采用高斯光束的失配耦合模型并考虑光纤模场尺寸的波长相关性,分析了其波长相关损耗的产生原因,相应地提出了多种可能的优化方案,并通过实验对最终方案进行了验证。
　　本论文提到的研究方法及其研究结果,对于设计性能良好的光器件,进而提高整个光纤通信系统的性能具有重要意义。

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1 绪论

1.1 高斯光束

1.2 光器件的研究及发展概况

1.3 本论文的主要内容

2 圆光斑与椭圆光斑的耦合效率研究

2.1 高斯光束的能量耦合

2.2 圆光斑与椭圆光斑的能量耦合

2.3 应用举例

2.4 本章小结

3 高斯光束在MEMS微镜阵列上的耦合研究

3.1 理论模型

3.2 在波长选择开关中的应用

3.3 在可调光学滤波器中的应用

3.4 本章小结

4 可调光学滤波器中高斯光束孔径滤波的研究

4.1 理论分析

4.2 实验验证

4.3 本章小结

5 基于MEMS技术的可调光衰减器的波长相关损耗优化设计

5.1 可调光衰减器（VOA）的用途

5.2 基于MEMS技术的VOA

5.3 MEMS VOA 的波长相关损耗优化设计

5.4 本章小结

6 总结与展望

致谢

参考文献

附录1 硕士研究生期间申请的专利