基于渐变折射率媒质的非对称Y分支光波导研究

摘要

针对以往提出的非对称型Y分支光波导结构的缺点,即上下分支分光比范围小、光波导功耗大的,本文提出了一种新型带有渐变折射率媒质的非对称Y分支结构。该结构在Y分支处利用渐变折射率媒质引导光传播,减小光在分支处的对外辐射损耗,使更多的光能进入到规定的光波导分支中,从而提高波导中光传播的效率以及增大分支光波导的分光比范围。
　　文中对所提出结构采用二维有限差分光束传播法(FD-BPM)进行仿真。在该结构中,对光波导损耗及分光比起关键作用的部分主要有两点:一是轴线偏移量,定义为输入光波导中心轴线相对于渐变折射率媒质中心轴线的偏移量;二是光线进入上下两个分支的入射角度之差。对于同一个Y分支角度,单独改变上述一个变量,能够引起不同的波导损耗和分光比范围,共同改变上述两个同样也能够引起光波导损耗和分光比的变化,而且能达到更好的效果。因此,首先,对于某一确定的Y分支角度,对这两个量进行优化,以期得到最小的光波导损耗和最大范围的分光比。其次,在仿真中发现,如果对于不同的Y分支角度,渐变折射率的变化趋势能够随之改变,即对不同的Y分支角度都能够找到相对应的最佳的折射率渐变趋势,则光波导的损耗将会极大地下降,同时分光比范围也会得到大幅度的增加,从而使整个Y分支光波导的性能得到提升。最后,将对折射率渐变趋势的优化方法应用于对称型Y分支光波导结构,同样可以发现波导的性能得到大幅度的提升。由此可以证明,对折射率趋势的优化方法不仅适用于非对称型Y分支光波导,也适用于对称型Y分支光波导。
　　运用以上方法进行仿真,结果显示,对于非对称型Y分支光波导,分支角度为14o-50o时,优化前波导损耗为0.46-2.26dB,而优化后损耗为0.03-0.85dB。取Y分支角度为42o时观察,可得随着轴线偏移量的变化,优化前波导损耗为0.56-1.09dB,分光比为0.49-0.91,而优化后波导损耗为0.09-0.41dB,分光比范围为6-94％;对于对称型Y分支光波导,分支角度为6o-40o时,优化前波导损耗为0.15-0.85dB,而优化后波导损耗为0.07-0.23dB。

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第一章 绪 论

1.1 研究意义

1.1.1 集成光学概述

1.1.2 片上光互连发展背景

1.1.3 光波导与光波导器件发展介绍

1.2 Y型分支光波导器件的国内外发展动态

1.2.1 对称型Y分支光波导器件发展动态

1.2.2 非对称型Y分支光波导器件发展动态

1.3 本文主要研究工作及内容安排

第二章 有限差分光束传播法

2.1 电磁场基本方程

2.1.1 麦克斯韦方程[38]

2.1.2 二维光波导的TE模方程[39]

2.1.3 二维光波导的TM模方程

2.1.4 矢量和半矢量波动方程[40-41]

2.2 二维标量FDBPM的基本原理[42]

2.2.1 TE模FDBPM模式

2.2.2 TM模的FDBPM模式

2.2.3 二维标量FDBPM格式稳定性能分析

2.3 透明边界条件与方程求解[43]

2.3.1 边界透明条件

2.3.2 方程求解

2.4 本章小结

第三章 非对称型Y分支波导的结构设计、仿真优化和性能分析

3.1 光线传输理论

3.1.1 费马原理[44]

3.1.2 渐变折射率媒质中光线的传播方程

3.2 非对称型Y分支光波导的结构设计

3.2.1 光线在渐变折射率媒质中传播轨迹方程的求解

3.2.2 新型非对称Y分支光波导结构的设计

3.3 数值模拟仿真

3.3.1 仿真算法和相关参数的确定

3.3.2 优化前的仿真与结果分析

3.3.3 优化后的仿真与结果分析

3.4 对称型Y分支光波导的优化仿真与结果分析

3.5 本章小结

第四章 总结与展望

4.1 本文总结与下一步工作计划

4.1.1 本文总结

4.1.2 下一步工作计划

4.2 片上光互连存在的问题与发展趋势

致谢

参考文献