紧凑式硅基模阶数转换器研究

论文总字数：25618字

摘 要

本文建立在应用SOI（Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅）工艺的基础上，通过各种类型的光波导组合形成通路。利用BPM算法在RSOFT8.0上进行仿真实验，力求获得实现特定功能的模阶转换器。

重难点主要是光波导的设计，对其尺寸规模和折射率变化的研究会极大程度的影响我们最终的数据结果。本文采取单一变量控制，不分析折射率变化的影响，单单给出国内外标定的光纤芯层包层折射率，空气折射率默认为1，硅基底默认为3.48.通过控制Y型波导的开角及锥形波导的锥度控制以及传输路径上传输长度的增减设计得到需要的模阶转换器。

最后，根据BPM光束传播理论及锥形波导、Y型波导的原理进行分析，通过以曲代直等方式降低串扰及插入损耗，达到提高转化效率的功效。

关键词：绝缘衬底上的硅、光束传播方法、Y型波导、锥形波导、模阶转换、降低串扰及插入损耗

A STUDY OF THE MODE ORDER CONVERTER BASED ON SILICON-ON-INSULATOR

Abstract

This paper, which based on the applicating of SOI (Silicon-On-Insulator silicon on an insulating substrate) technology. Formating of the optical waveguide path through various types of combinations.Using BPM algorithm simulation on RSOFT8.0, striving for the realization of specific functions mode order converter.

How to design the main optical waveguide structure is our key point, Changing its size or refractive index will have a great effect on our final date result. In this paper, We just take control of a single variable and don’t analyze the change in refractive index. The fiber core and abroad cladding refractive index is given as calibration, the default of the refractive index in air is 1, The silicon substrate’s default refractive index is 3.48. By controlling the Y-type waveguide and open-angle taper and design the transmission path length of the tapered waveguide mode order we can give the desired converter eventual.

Finally, according to the principles of BPM(beam propagation theory) and the tapered waveguide, Y-type waveguide’s theory analysis.Using arc or liner waveguide structure to replace straight waveguide can reduce crosstalk and insertion loss, which finally improving the conversion efficiency effect.

KEY WORDS: Silicon-On-Insulator, BPM, Y junction waveguide, tapered waveguide ,mode order converter, Reduce crosstalk and insertion loss

目 录

摘要 ……………………………………………………………………………………Ⅰ

Abstract …………………………………………………………………………… Ⅱ

1. 绪论 ………………………………………………………………………1

1.1 引言 ………………………………………………………………………1

1.2 紧凑式硅基模阶数转换器研究现状 ………………………………………1

第二章 紧凑式硅基模阶数转换器的结构、工作原理及其相应的仿真软件

2.1 紧凑式硅基模阶数转换器构成、工艺及原理………………………………2

2.1.1紧凑式硅基模阶数转换器构成 …………………………………2

2.1.2紧凑式硅基模阶数转换器相关工艺 ………………………………3

2.1.3两种光波导的原理及作用 …………………………………………5

• 1. RSOFT仿真软件及BPM算法简介 ………………………………………16

第三章 紧凑式硅基模阶转换器的实例设计 ………………………………………26

3.1 实现若干种功能的不同模阶转换器的设计及其参数……………………26

3.2 模态及能量分析 …………………………………………………………31

3.3提高转换效率、降低串扰方法的思考与实现 ……………………………42

结论 …………………………………………………………………………………45

致谢 …………………………………………………………………………………46

参考文献（References） ……………………………………………………………47

1. 绪 论
   1. 引言

二十一世纪是一个器件日趋高度精密化的时代，就光纤传输角度来讲，其传输的损耗就比较令人关心了，我们知道短距离传输时一般单模、多模两者均可，而长距离传输时因为高阶模损耗过大的原因，低阶模单模传输更好。

空间的亥姆霍兹方程与边界条件与在光纤中不同，因此本征函数也不同。空间的本征模是各阶高斯光束，光纤里的本征模是与各阶贝塞尔函数相关的函数。每组本征模都构成正交完备的基函数，任何函数都可以用不同的正交基函数展开。比如基模高斯光束可以用光纤本征模展开，也就是将空间中的高斯基模耦合进光纤，就会有许多光纤模式存在。而各阶高斯光束函数表示是傍轴近似的结果，将其聚焦后光束更发散，偏离傍轴近似更远，耦合进光纤后，与光纤基模差距更大，其相对于光纤模式展开式中，应该包含许多光纤模式函数项，也就是产生了许多光纤模式，此乃多模成因。

从另一个方面讲，因折射率分部呈突变或渐变型的多模光纤，其纤芯内径较大，可使用廉价的耦合器及接线器，虽然有带宽窄，色散大，损耗大的缺点，但在短、中距离上的传播性价比要远优于单模光纤。同时光纤通信里，有模分复用技术，多模传输就意味着增加了通信容量，增加了数据传输速率 。

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