文档介绍：浙江大学
博士学位论文
光波导理论及其在波分复用器中应用的研究
姓名:郭福源
申请学位级别:博士
专业:光学工程
指导教师:陈钰清
摘要根据瑞利一索末菲标量衍射积分公式,推导出平面均匀光波导和圆均匀光波根据模式耦合理论和瑞利一索末菲标量衍射积分公式,推导出平面光波导空随着光纤通信领域中波分复用技术的飞速发展,阵列波导光栅波分复用器、阵列波导光栅梳状带通滤波器和凹面蚀刻光栅波分复用器成为集成光学技术领域的研究热点课题。但是,在光波导这一快速发展的领域中,数值计算与模拟是分析光波导常用的方法,光波导基本理论及光波导器件设计理论仍存在许多尚待解决的问题。本文以设计波导光栅器件为目标,对介质中光场的本征波函数,光波导本征模理论,光波导衍射场特性,光波导模式耦合特性和波导光栅波分复用器的光谱特性进行了深入研究,建立一套基于本征模式场分析的光波导光束传输特性的理论,为波导光栅器件设计与分析提供正确的理论基础。在圆柱坐标系中,根据行波场辐射能的能量守恒定律,提出采用半整数阶汉克尔函数和经过狄拉克函数奇异性修正的整数阶汉克尔函数作为本征函数描述均匀介质中的柱面径向行波场,解决了整数阶汉克尔函数所表达的本征函数在坐标原点的奇异性问题,用于分析圆均匀光波导,推导出基于上述两种本征函数描述的圆均匀光波导的本征模特征方程和基模归一化截止频率,基模归一化截止频率理论值分别为/.,阐明了圆均匀光波导基模截止的原因,给出新的圆均匀光波导本征模式描述。经典的分析非均匀光波导方法为椒ǎ虻ソ杓蠼馐期逯辛W硬ê数的标量薛定谔方程的结论分析矢量光场问题,本文阐明了由经典椒ú函数所表达的行波场违背了辐射能守恒定律,在介质折射率缓变和光波近似为本地平面波的前提下,推导出平面非均匀介质和柱面非均匀介质中光场的本征波函数,提出分析非均匀光波导的改进椒ǎ霰菊髂L卣鞣匠蹋U贩析实际的平面非均匀光波导和柱面非均匀光波导提供理论基础。导衍射场空间频谱和远场分布的计算公式,推导出作为衍射效应标志的中央亮条面均匀光波导:驮簿裙獠ǖ糒Q苌涑〉慕∧3“肟矶取⒃冻》⑸角半宽度和光束传输因子三个特征参数的函数表达式及其满足的简单关系式,上述结论为精确测量光波导参数提供理论基础。间耦合的传递函数计算公式,给出光波导空间耦合特性的完整描述,基此,推导纹半宽度和作为衍射光束形状特征标志的中央亮条纹强度半最大值全宽度的计算公式,将平面波衍射的中央亮条纹和中央亮斑概念推广到光波导领域;推导出平
出波导光栅器件的光谱响应特性函数表达式,为快速、精确计算阵列波导光栅波分复用器、阵列波导光栅梳状带通滤波器和凹面刻蚀光栅波分复用器的光谱响应效率和器件相邻信号通道的串扰提供理论基础。给出信号波长间隔为的阵列波导光栅波分复用器,信号波长间隔为恼罅胁ǖ脊庹な嶙创ú,,相邻信号通道的串扰小于.。关键词:光波导;模式;衍射;波分复用器浙江大学博士学位论文
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第一章绪论波分复用技术概述年,英国物理学家菔玖斯獠ǖ嫉拇嬖凇緇】,年,英国标准电信研究所的华裔科学家高锟等提出采用降低玻璃光纤中的杂质的办法,可以将光纤的衰减从/降至/,年,【由于光纤具有容量大、损耗低、串扰小、抗电磁干扰、耐腐蚀、尺寸小和重量轻等众多优点,已取代了电缆在通信领域的主导地位,开始了飞速发展的光纤通信时代。年内,光纤传输模式从多模发展到单模,通信波长由短波向长波发展,最终克服波长的那课辗濉】,遍及~全波段的ス庀诵诺来拥ジ鲂诺婪⒄沟信道,单信道通信比特率痵到/曛就ㄐ畔低承阅艿谋忍芈室痪嗬牖黾恿个数量级。然而,随着通信和计算机网络技术的迅猛发展,对光纤通信系统的传输容量的需求与日俱增,原有光纤通信系统的传输容量已经成为当前和未来信息业务发展的“瓶颈”,如何有效开发和利用光纤通信系统的有效带宽已成为急待解决的际醯萷辗指从眉际跻远嘈竟饫碌陌汗笃躺栉4郏痵以上的高比特率的时分复用技术以昂贵真波光纤和新的电子设备为代价,波分复用技术采用单光纤多光波长信道通信,可以充分利用光纤的带宽,在接收端和发射端增加多波长激光器系统和多波长探测器阵列等相应设备,使通信容量随波长数目波分复用技术的关键器件为波分复用器,商用波分复用/解复用器基于薄膜技术和光纤技术制作,如窄带多层介质薄膜带通滤波片⒉祭光纤光ǚ指从闷鱗桶济媸纯坦庹げǚ指从闷鳌,它们均采用平面光波导技术制作