实验二:集成光波导耦合器设计
实验二：集成光波导耦合器设计
一、实验目的：
1、掌握多模干涉耦合器的结构、工作原理
2、了解多模干涉耦合器的分析方法及其仿真仿真技术 二、实验原理：
如图1所示，多模干涉耦合器(MMI Device)的关键结构是一个能传输多个模式(一般>3个) 的多模波导，为了使光输入和输出多模波导，还必须有一些波导(一般为单模波导放置在多模波导的起的结构示意图始端和终止端，具有这种结构的器件被称为N ×M 多模干涉耦合器．其中N 和M 分别为输入和输出波导数．
多模干涉耦合器的工作原理是基于Ulrich 发现的多模波导自映像效应．它是多模波导中被激励起来的多个模式间的相长性干涉的结果．由于自映像效应，沿波导的传播方向将周期性地产生输人场的一个或多个像．
图1 多模干涉耦合器机构示意图
图1所示多模波导起始端的坐标为在z ＝0, 设该处光场横向分布为ψ(y , 0) 。输入场
ψ(y , 0) 可以写成所有模(包括辐射模) 的线性叠加
ψ(y , 0) =
∑C υψυ(y ) （1）
υ
其中ψυ(y ) 为υ次模的光场分布，C υ为场激励系数，可由模式正交性得到：
C υ=⎰ψ(y , 0) ψυ(y ) dy /⎰ψυ(y ) dy
2
（2）
在多模渡导任一截面场分布可以写成所有导模的叠加：
m -1
ψ(y , z ) =
∑C υψυ(y ) e
υ=0
[j (β0-βυ) z ]
(3)
在多模波导区．由于不同模式传播速度不同．存在着传播常数差，显然当z 不等于0时，不同模式的相位发生了相对移动，从而使不同模式间的相位关系与人射时候不再相同。正是由于这种不同模式问的相位的相对移动，使得多模波导不同位置处光场横向分布和多模波导起始端( z=0处) 的光场横向分布比较发生了变化。
令L π=π/(β0-β1) , 其中β0，β1分别是0次模和1次模的传播常数,(3)式可改写为：
m -1
ψ(y , 0) =
υ=0
∑C υψυ(y ) exp[j
υ(υ+2) π
3L π
]
由上式可得到多模波导任一截面的横向场分布。 三、实验内容：
利用OptiBPM6.0设计一个1⨯4的多模干涉耦合器，观察并分析相关结果。 四、实验方法：
1、创建材料库： 材料库参数：
Materials －Dielectric1： Name: cladding
2D Isotropic Refractive ：3.27 3D Isotropic Refractive ：3.27 Name: guide
2D Isotropic Refractive ：3.3 3D Isotropic Refractive ：3.3 Profiles －Channel ： Name: guide-channel
2D Profile definition material: guide
晶体参数：
Waveguide Properties参数： Width ：2.8
Profile ：guide-channel Wafer Dimensions参数：
Length : 1500 Width :60
2D Wafer Properties参数： Material ：cladding
2．添加波导和输入平面：
在完成波导参数设置后，需要给四个输出波导分配监控路径，并且插入输入面。输入面的参数中将Z position 的值设置为2.0000。
在创建MMI 星型耦合器的过程中还可以分别观察MMI 耦合的仿真结果、先添加一个输出波导时的仿真结果(仿真参数见下步) 。
4、仿真：
仿真参数为：
2D 页面－
Polarization: TE
Mesh – Number of points = 600 BPM solver: Padé(1,1) Engine: Finite Difference Scheme Parameter: 0.5 Propagation Step: 1.55 Boundary Condition: TBC
在设置完仿真参数后运行仿真并观察仿真结果。 五、分析与问题：
1、请详细分析星型耦合器的工作原理；
2、谈论耦合器的相关参数，比如工作波长、插入损耗、隔离度和分光比等等。 六、提交报告要求：
提交的实验报告应有基本原理分析、设计流程图、处理结果和设计原程序。 七、参考文献
(1) OptiBPM User’s Reference. Optiwave Corporation. 2003
(2) OptiBPM Technical Background and Tutorials. Optiwave Corporation，2003 (3) 硅晶片波导元件研究。丘华恭。台湾国立中央大学，1994
(4) 多模干涉耦合器及其在光通信系统中的应用。孙一翎，江晓清，王明华。光通信
研究，2004，122(2)，67-70