双波导耦合器的耦合比与耦合长度的关系仿真

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第5章-光波导耦合理论与耦合器

第5章光波导耦合理论与耦合器
5.1光波导耦合的基本理论 5.2导模与辐射模的耦合 5.3 棱镜耦合器 5.4 光栅耦合器 5.5 楔形光波导耦合器 5.6 光波导耦合的其它方法
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第5章光波导耦合理论与耦合器
5.1光波导耦合的基本理论
将光从一个光学元件引入到另一个光学元件当中的过程称为光耦合。使一个模式的功率完全转移到同一波导的另一模式之中或者两个波导间的能量交换。这种现象称为光波导耦合。
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第5章光波导耦合理论与耦合器
由此可见，定向耦合器的耦合区长度仅取决于耦合系数K。耦合系数越大，能量完全转移所需耦合长度越小，器件尺寸越小。对于耦合器而言，很难使两条波导完全相同，即做到 k 0 是十分困难的。由式（5.1-19)可知，当 L / 2K 时，若相位失配因子 k 3K ，则波导a中传输的光功率为零。因此，要想制作高性能的耦合器，必须要使相位失配因子尽可能小。根据以上分析可知，两个耦合波导可以通过耦合长度的不同，实现完全交叉态（从b传输到a）传输或者完全直通态（从b传输到b）传输。
2k ka Ca kb Cb
（5.1-14)
k 又称位相失配因子。模式耦合导致的光波能量转移， k，即位相匹配时才能实现。假设在 0 只有在 z 0处，只有波导b存在单模光传播，微扰发生在 z 0 区，即
Eb 0 Eb0 ,
Ea 0 0
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第5章光波导耦合理论与耦合器
若把后退波作为入射波，前进波作为反射波，则可把z=0处反射波与入射波的功率之比定义为反射率，可见在相位匹配条件下，反射率为
E y Ea z Eay x exp ika z Eb z Eby x exp ikb z

双分支定向耦合器原理

双分支定向耦合器原理双分支定向耦合器是一种被广泛应用于光通信系统中的耦合器，它可以将光信号从一个输入端口耦合到多个输出端口上，或者将多个输入端口的光信号合并到一个输出端口上。

其原理基于光的干涉和波导耦合理论，下面将详细介绍双分支定向耦合器的原理。

在双分支定向耦合器中，主波导和副波导之间存在着一定的耦合长度。

当光信号从主波导输入时，它会同时存在于主波导和副波导中。

在耦合长度这段距离上，主波导和副波导之间的距离逐渐减小，使得两个波导之间的光耦合增加。

当耦合长度到达一个特定的值时，光信号完全从主波导耦合到副波导上，这被称为50%耦合点。

当光信号从主波导中完全耦合到副波导之后，自此之后，主波导和副波导之间的距离逐渐增大。

这个过程中，从副波导输出的信号会有逐渐减小的趋势。

当距离增大到一定程度时，光信号会完全从副波导输出。

输出信号的功率与主波导输入信号功率之比称为耦合效率。

同时，根据波导的光学性质，当两个波导的长度相等时，耦合效率最大。

双分支定向耦合器的原理还包括使用相位差控制输出信号的强弱。

通过在主波导和副波导中引入相位差，可以使输出信号的强度发生变化。

这可以通过改变波导的几何尺寸或者在其上添加相位装置来实现。

例如，可以通过在耦合结构中引入突变来引发相位变化。

这种相位控制的方法可以用于应用中需要在不同输出端口上获得不同输出功率的场景。

另外，还可以通过在主波导和副波导之间引入调制装置控制耦合效率。

调制装置通常由电光调制器等组成，可以通过改变耦合结构或改变电压来改变波导的折射率，从而改变耦合效率。

这种调制控制的方法可以用于一些需要实时调节输出功率的系统中。

总结起来，双分支定向耦合器的原理基于光的干涉和波导耦合，通过控制耦合结构的几何尺寸、相位差或调制装置，可以实现将光信号从一个输入端口耦合到多个输出端口上，或者将多个输入端口的光信号合并到一个输出端口上。

这使得双分支定向耦合器在光通信系统中发挥着重要作用，提供了灵活和高效的光路选择功能。

波导实验中的耦合调整技巧

波导实验中的耦合调整技巧在波导实验中，耦合调整技巧是非常重要的一环。

它的目的是确保波导之间的能量传输效率达到最佳状态，以获得准确可靠的实验结果。

本文将介绍一些常见的耦合调整技巧以及它们的应用。

1. 波导对齐波导对齐是一个关键的步骤。

在实验中，我们需要将两个或多个波导对准并将它们的轴线重合。

这样可以最大限度地减少波导之间的能量损耗。

一种常见的方式是使用显微镜来观察和调整波导的位置，确保它们完全对齐。

此外，定位夹具和精密调节螺丝也可以在实验过程中帮助我们实现更精确的波导对齐。

2. 波导的耦合调整在波导实验过程中，我们通常会遇到将能量从一个波导耦合到另一个波导的情况。

调整好两者之间的耦合可以最大程度地提高能量的传输效率。

一种常见的耦合调整技巧是调整波导之间的距离。

当波导之间的距离过大或过小时，耦合效率会下降。

通过逐渐调整两个波导之间的距离，我们可以找到最佳的耦合效果。

此外，调整波导的角度和波导的相对位置也可以对耦合效果产生影响。

通过细微的调整，我们可以找到最佳的耦合状态。

3. 波导的干涉现象在波导实验中，我们经常遇到波导之间的干涉现象。

当多个波导处于特定的相对位置时，它们之间会发生干涉，这可能导致能量传输的增强或减弱。

了解和控制这些干涉现象对于波导实验的成功至关重要。

在实验过程中，我们可以通过调整波导的位置和角度来改变干涉现象，以获得所需的实验结果。

4. 波导的频率调整在一些实验中，我们需要调整波导的频率以适应不同的实验要求。

调整波导的频率可以通过改变波导的尺寸、材料或波导中的介质来实现。

选择适当的材料和尺寸以获得所需的频率范围非常重要。

同时，我们还需要注意避免波导中出现剧烈的频率突变或不连续性，这可能会导致能量损失和干涉现象的发生。

5. 波导的损耗补偿在波导实验中，能量的传输损耗是一个常见的问题。

当波导之间的传输距离较长或者波导材料有较高的损耗时，能量损耗会增加。

为了补偿这些损耗，我们可以采取一些措施，如增加波导之间的耦合强度、使用低损耗的材料等。

定向耦合器耦合长度与波导结构的关系

2009年11月襄樊学院学报 Nov.,2009 第30卷第11期 Journal of Xiangfan University V ol.30 No.11定向耦合器耦合长度与波导结构的关系朱素平(襄樊学院教育学院，湖北襄樊 441053)摘要：以图解方式阐明光通信开关(光波导型光开关)中定向耦合器的耦合长度与波导结构——波导间距、波导折射率、介质折射率、两波导间介质折射率及光波长的关系.关键词：耦合长度; 波导结构; 定向耦合器中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1009-2854(2009)11-0057-03光波导型光开关是光通信系统及光信号处理系统中的基本及关键器件. 本文讨论光波导型光开关中由GaAs/GaAlAs 条形光波导构成的定向耦合器的耦合长度与波导结构的关系.1 定向耦合器的耦合长度与波导结构关系两个对称的条形波导的耦合结构图如图1.图1中耦合系统的z 方向传播常数z k 可表示为[1-3]122221()z x y k k k k =−− (1)其中，2222441[1]y n k n A n A bn bππ++≈，35[1]x m k A A a a ππ++≈. a 、b 为器件尺寸； n1、n2、n3、n4、n5为各区折射率；1k 、2A 、3A 、4A 、5A 为常数.而对于单根条形波导，传播常数0z k 为122220100()z x y k k k k =−−[4]，耦合系统的正相对称模式在z 方向的传播常数zs k 可以表示为20550222005exp()121x zs z z x k d k k a k k ξξξ⎡⎤−=+⎢⎥+⎣⎦(2) 同理，反相对称模式传播常数za k 为20550222005exp()121x za z z x k d k k a k k ξξξ⎡⎤−=−⎢⎥+⎣⎦ (3)收稿日期：2009-06-25作者简介：朱素平(1959— ), 女, 湖北襄樊人, 襄樊学院物理与电子工程学院高级实验师.第30卷第11期襄樊学院学报 2009年第11期58其中，52251[()]x k A ξπ=− .式(2)、(3)表明，耦合光波导系统的正相和反相对称模式的传播常数仅与单根波导的传播常数略有不同. 由于耦合系统是由完全对称相等的两个波导构成的，因此有2zs zak k K −= (4)代入5ξ的表达式，耦合系数k 改写为：12122225005050521()exp 1()x x x z A k k A k A d K ak A ππππ⎧⎫⎡⎤⎪⎡⎤⎪=−−−⎨⎬⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎪⎪⎩⎭，而L =，δ为两波导传播常数差. 基于以上的分析与计算，得出了以下定向耦合器耦合长度与波导结构的关系.2 定向耦合器的耦合长度与波导结构仿真2.1 耦合长度Lc 与波导间距d 的关系图2是两个对称的条形波导的耦合结构截面图. 对其所示的耦合结构，设波导的结构尺寸分别为a =4µm, b =3µm ，波导折射率n1=1.53，其它介质的折射率均为1.5，则对于确定的光波长，耦合长度Lc 与波导间距d 的关系如图2所示. 从图2可以看出，不管对于哪个光波长，耦合长度Lc 都是随着波导间距d 的变化而呈指数增长.2.2 耦合长度与波导折射率的关系设波导间介质的折射率均为1.5，传输的光波长λ=1.31µm ，则对于确定的波导结构，耦合长度Lc 与波导折射率n1的关系如图3所示. 随着波导的折射率增大，耦合长度也是呈指数增长的.d(um)波导间距l c (m m )耦合长度n1波导折射率l c (m m )耦合长度实线：光波长λ=0.85µm ；虚线：光波长λ=1.55µm 实线：波导长宽a =5µm, b =4µm ，波导间距d =3µm ；虚线：波导长宽a =4µm, b =2µm ，波导间距d =3µm图2 耦合长度Lc 与波导间距d 呈指数增长关系图3 耦合长度Lc 与波导折射率n1的关系 2.3 耦合长度与介质折射率的关系设波导的折射率为1.515，介质折射率为1.5，传输的光波长λ=1.31µm ，则对于确定的波导结构，耦合长度Lc 与介质折射率n2、n4的关系如图4所示，与介质折射率n3的关系如图5所示.随着介质折射率n2或n4的变化，可以看到耦合长度有一个极值. 极值点在1.515处，即介质折射率n4和波导折射率n1相同的时候.随着介质折射率n3的变化，可以看到耦合长度的变化很剧烈，即耦合长度对介质折射率n3非常敏感. 并且曲线在1.515处出现了不连续，因此在方向耦合器中对于介质折射率n3的选取，应该和波导折射率n1有一定的折射率差，不能够取相同或者非常相近的值.朱素平：定向耦合器耦合长度与波导结构的关系59n4介质折射率l c (m m )耦合长度n3介质折射率l c (m m )耦合长度实线：波导长宽a =4µm ,b =3µm ，波导间距d =4µm ；实线：波导长宽a =4µm, b =2µm ，波导间距d =3µm ；虚线：波导长宽a =4µm, b =1µm ，波导间距d =4µm 虚线：波导长宽a =5µm, b =3µm ，波导间距d =3µm图4 耦合长度Lc 与介质折射率n2、n4的关系图5 耦合长度Lc 与折射率n3的关系 2.4 耦合长度与两波导间介质折射率的关系设波导的折射率为1.515，介质折射率为1.5，传输的光波长=λ1.31µm ，则对于确定的波导结构，耦合长度Lc 与两波导间介质折射率n5的关系如图6所示. 随着波导间的折射率增大，耦合长度是呈指数递减的. 由于方向耦合器的耦合区的长度要取耦合长度的奇数倍，若要减小光开关的几何尺寸，波导间的折射率选取不能太小. 2.5 耦合长度与光波长的关系设波导的折射率为1.515，波导周围介质折射率均为1.5，则对于确定的波导结构，耦合长度Lc 与传输的光波长的关系如图7所示.在光通信中，传输的几个光波长窗口主要在0.85µm 、1.31µm 、1.55µm 附近. 随着光波长的增大，耦合长度是呈指数递减的. 因此，对于传输不同的光波长，耦合长度的变化是很大的，所以选取其它的结构参数时，包括波导折射率、介质折射率、波导尺寸和波导间距等，注意使方向耦合器达到合适的耦合长度.n5波导间介质的折射率l c (m m )耦合长度(um)光波长l c (m m )耦合长度实线：波导长宽a =4µm,b =3µm ，波导间距d =2µm ；实线：波导长宽a =5µm, b =4µm ，波导间距d =3µm ；虚线：波导长宽a =5µm, b =4µm ，波导间距d =2µm 虚线：波导长宽a =4µm, b =2µm ，波导间距d =3µm图6 耦合长度Lc 与波导间介质折射率n5的关系图7 耦合长度Lc 与光波长的关系3 结论由于方向耦合器型电光开关是由一对靠得很近的条形光波导以及分布在条形光波导上的表面电极构成. 通过注入电流改变波导臂的折射率，从而使两个相邻波导之间的能量耦合从实现传输通道的切换. 因此，在设计调制方向耦合器的过程中，需要考虑耦合长度随波导折射率、介质折射率、波导尺寸、波导间距等结构参数发生改变的变化关系，这些参数的变化对方向耦合器的工作效率及质量产生着较为敏感的影响，尤其是方向耦合器对波长更为敏感，波导尺寸的精度决定耦合器是否产生严重串音现象等. 设计调制过程中仔细地选择器件的长度，对波导尺寸的精度严格要求是重中之重的环节.(下转第80页)第30卷第11期襄樊学院学报 2009年第11期展，人们的生活水平日益提高，人们的空闲时间越来越多，体育作为人民生活质量的重要指标，将以一种和谐、协调、以人为本的新的价值观念存在，而这也正是中国体育的发展方向.参考文献：[1] 汪田霖, 吴忠. 全球化与文化价值观[J]. 学术研究, 2002(1): 1-11．[2] 曲建贵. 学习和坚持马克思主义的价值观[J]. 求实, 2005(1): 3-4.[3] 岳长志. 圣球之缘——淄博临淄被确认为世界足球起源地两周年巡礼[J]. 体育文化导刊, 2006(9): 15-18.[4] 王俊奇. 蹴鞠衰亡历史原因再研究[J]. 体育文化导刊, 2008(9): 124-125.[5] 陈昕. 消费文化: 鲍德里亚如是说[J]. 读书, 1999(8): 149-154.[6] 冯承柏. 西方文化精义[M]. 武汉: 华中理工大学出版社, 1998: 4-5.[7] 程耀明. 构建和谐社会塑造理性个体[J]. 思想政治工作研究, 2005(4): 17-18.[8] 李涛. 对竞技体育与全民健身在学校体育中协调发展的探讨[J]. 成都体育学院学报, 2002(2): 60-62.Developing Strategy for China Sports: from the Perspective ofChinese and Western Cultural ValuesGUO Chao-ting, ZHANG Yu-jun(PE Department, Southwest University, Chongqing 400715, China)Abstract: The Chinese cultural values are different from the western ones in politics, economy, religion and geography. As a result, PE values are not the same. Chinese PE values are greatly affected by Confucianism, while the western ones pursue personality, regarding PE as their highest spiritual realm. By comparison, it arrives at a conclusion that Chinese PE will develop in a new way: more harmonious and people-oriented.Key words: China sports; Chinese and western cultural values; PE values(责任编辑：徐杰)(上接第59页)参考文献：[1] 叶培大, 吴彝尊. 光波导技术基本理论[M]. 北京: 人民邮电出版社, 1981.[2] 肖金标, 孙小菡. 基于GaAs/GaAlAs条形光波导定向耦合器分析[J]. 电子学报, 2002, 30(5): 705-707.[3] 秦秉坤, 孙雨南. 介质光波导及其应用[M]. 北京: 北京理工大学出版社, 1991.[4] GOTOH H, KOSHIBA M. Finite element solution of electron waveguide discontinuities and its application to quantum field effect directional couplers[J].IEEE Journal of Quantum Electronics, 1996, 32(10): 1826-1832.[5] POOLE CRAIG D, FAVIN DAVID L. Polarization-mode dispersion measurements based on transmission spect ra through a polarizer[J]. Journal ofLightwave Technology, 1994, 12(6): 917-929.[6] GOH TAKASHI, HIMENO AKIRA, OKUNO MASAYUKI, et al. High-extinction ratio and low-loss silica-based 8×8 strictly nonblocking thermoopticmatrix switch[J]. Journal of Lightwave Technology, 1999, 17 (7): 1192-1195.Relationship between the Coupling Length and theWaveguide Structure of Directional CouplerZHU Su-ping(School of Normal Education, Xiangfan University, Xiangfan 441053, China)Abstract: In order to graphically clarify the optical switch (optical waveguide-type optical switch), the relationship between the directional coupler coupling length and waveguide structure is discussed, such as waveguide spacing, waveguide refractive index, media refractive index, refractive index between the two waveguide media and optical wavelength.Key words: Coupling length; Waveguide structure; Directional coupler(责任编辑：饶超) 80。

hfss耦合器仿真设计范例-概述说明以及解释

hfss耦合器仿真设计范例-概述说明以及解释1.引言1.1 概述在HFSS耦合器仿真设计范例这篇文章中，我们将介绍HFSS耦合器的原理和仿真设计步骤。

HFSS（High Frequency Structure Simulator）是一种电磁场仿真软件，广泛应用于高频电磁场仿真领域。

耦合器作为一种重要的电路元件，在无线通信和微波领域具有广泛的应用。

通过仿真设计，我们可以模拟和优化耦合器的性能，以满足实际工程需求。

本篇文章的主要目的是通过以HFSS为工具，详细介绍耦合器的仿真设计过程。

首先，我们将在理论背景部分介绍一些基本的电磁场理论知识，包括电磁波的传输和耦合原理。

随后，在HFSS耦合器的原理部分，我们将重点讲解HFSS软件在耦合器仿真中的应用。

接下来，我们将详细介绍HFSS耦合器的仿真设计步骤。

这包括建立仿真模型、设置边界条件和材料属性、定义仿真参数等。

我们还将介绍如何通过改变耦合器的几何参数来优化性能，如改变耦合间隙、调整导体尺寸等。

通过仿真结果的分析和对比，我们可以评估不同设计参数对耦合器性能的影响，并提出设计优化建议。

最后，在结论部分，我们将对实验结果进行分析和总结。

通过对仿真数据的分析，我们可以得出一些结论，如耦合器的带宽、传输损耗等。

同时，我们也会给出一些建议，如如何改善耦合器性能或进一步优化仿真设计。

通过本文的学习，读者将了解到HFSS耦合器的原理和仿真设计步骤，并能够利用HFSS软件进行仿真设计。

这不仅对于从事无线通信和微波领域研究的工程师和学者有重要意义，同时也对于对电磁场仿真感兴趣的读者有一定的参考价值。

在实际工程应用中，通过仿真设计可以节省成本和时间，同时提高产品性能和可靠性。

因此，熟练掌握HFSS耦合器的仿真设计方法对于工程实践具有重要的指导意义。

1.2 文章结构文章结构部分的内容可以包括以下信息：文章结构部分的主要目的是介绍整篇文章的组织方式，以及各个章节的内容概述。

通过对文章结构的明确介绍，读者可以更好地理解整篇文章的逻辑架构，有助于他们更好地理解和接受文章的内容。

仿真软件在波导模式中的应用实例

仿真软件在波导模式中的应用实例
仿真软件在波导模式中的应用实例如下：
1. 光波导耦合器设计：
在光纤通信系统中,交叉耦合器是用来将输入的信号分叉成两路进行传输的重要器件之一。

通过使用仿真软件模拟光波在三维空间中的传输过程,可以设计出最优的交叉耦合器结构,提高其传输效率和性能。

2. 光波导滤波器设计：
波导滤波器是一种基于波导结构的光学滤波器,能够滤除某些波长的光信号。

通过使用仿真软件模拟光线通过波导滤波器的传输过程,可以调整波导的尺寸和形状,以实现最优的波长取向和波长范围。

3. 光波导阵列设计：
光波导阵列是一种由多个波导元件组成的光子集成电路结构,可以实现多路光信号的复用和分离。

通过使用仿真软件在三维空间中模拟波导在内部的传输过程,可以优化波导阵列的结构,提高传输效率和性能,并满足不同的应用需求。

4. 光波导激光器设计：
光波导激光器是一种利用波导结构制造的电光耦合器件,可用于制造集成光电器件和光通信设备等。

通过使用仿真软件模拟光波在波导内部的传输过程,可以设计出最优的激光器结构,以提高其性能和传输效率。

光纤耦合器的耦合比与耦合区长度的关系仿真

课程设计任务书学生姓名：青蛙哥专业班级：电子科学与技术0803 指导教师：李成军工作单位：信息工程学院题目: 光纤耦合器的耦合比与耦合区长度的关系仿真初始条件：具较扎实的光纤理论知识及较强的实践能力；对光纤课题的选择有一定的了解；具备光纤课题的设计能力及基本软件仿真能力；能够正确使用软件进行光纤课题的仿真与分析。

要求完成的主要任务：（1）学习beamprop软件。

（2）光纤耦合器的耦合比与耦合区长度关系的理论分析。

（3）对设计的光纤耦合器进行beamprop软件仿真工作。

（4）完成课程设计报告（应包含原理分析、仿真图及设计总结）。

时间安排：1．2011年6月24日分班集中，讲解课设具体实施计划与课程设计报告格式的要求；课设答疑事项。

2．2011年6月25日至2011年7月7日完成资料查阅、设计；完成课程设计报告撰写。

3. 2011年7月8日提交课程设计报告，进行课程设计答辩。

指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日目录摘要 (I)Abstract (II)1绪论 (1)2.设计内容及要求 (2)2.1设计内容 (2)2.2设计要求 (2)3 设计的基本原理 (3)3.1耦合原理 (4)3.2 光纤耦合器与耦合长度的关系 (5)4 软件仿真 (8)4.1 beamprop软件介绍 (8)4.2 对耦合器的仿真 (9)5心得体会 (15)参考文献 (16)摘要光纤耦合器(Coupler)又称分歧器(Splitter)、连接器、适配器、法兰盘，是用于实现光信号分路/合路，或用于延长光纤链路的元件，属于光被动元件领域，在电信网路、有线电视网路、用户回路系统、区域网路中都会应用到。

光纤耦合器是光纤与光纤之间进行可拆卸(活动)连接的器件，它是把光纤的两个端面精密对接起来，以使发射光纤输出的光能量能最大限度地耦合到接收光纤中去，并使其介入光链路从而对系统造成的影响减到最小。

对于波导式光纤耦合器，一般是一种具有Y型分支的元件，由一根光纤输入的光信号可用它加以等分。

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课程设计任务书学生姓名：专业班级：指导教师：工作单位：信息工程学院题目：双波导耦合器的耦合比与耦合长度的关系仿真初始条件：具有光电子技术的基本理论知识及较强的实践能力；对光纤技术有一定的了解；计算机；beamprop软件。

要求完成的主要任务：1.学习beamprop软件；2.双波导耦合器的耦合比与耦合长度关系的理论分析；3.用beamprop软件对光耦合器进行仿真；4.查阅篇参考文献，按《武汉理工大学课程设计工作规范》要求完成课程设计报告，正文10-15页，用A4纸打印。

时间安排：1．2014年12月15日布置课程设计任务，完成选题；2．2014年12月16日至2014年12月19日学习beamprop软件，完成资料查阅，复习与选题内容相关的基本理论知识；3.2014年12月20日至2014年12月25日对耦合器进行仿真工作，完成课程设计报告撰写；4. 2014年12月26日提交课程设计报告，进行课程设计验收和答辩。

指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日目录摘要 (1)1绪论 (2)2 设计原理 (3)2.1双波导耦合器简介 (3)2.2耦合器耦合机理 (3)2.3 光束传播法 (4)2.4 双波导耦合器耦合比与耦合长度的关系 (5)3 Beamprop仿真分析 (7)3.1 软件介绍 (7)3.2 双波导耦合器仿真 (7)3.3 仿真结果分析 (13)4心得体会 (14)参考文献 (14)摘要双波导耦合器属于定向耦合型器件，主要是根据两平行波导间的横向耦合而形成的，是对光信号实现分路、合路、插入和分配的无源器件。

它主要应用于WDM系统，光纤通信网络各种拓扑结构中，还可以组合成具有独特功能的新型光器件，例如功分器、ach一Zehnder干涉仪、带电极的调制器、光开关等,在光通信中有着广泛的应用。

它是依靠光波导间电磁场的相互耦合来工作的，性能指、插入损耗、附加损耗、方向性、均匀性、耦合比（分标主要有工作中心波长λ束比或分光比）、分路损耗及反向隔离度等。

本文首先分析了双波导耦合器的耦合机理，然后从理论上推导了双波导耦合器耦合比与耦合区长度的关系，最后采用光学模拟仿真软件Beamprop来进行双波导耦合器的耦合比与耦合区长度的简单仿真分析，得出耦合比与耦合区长度的关系。

关键词：双波导耦合器；耦合区；耦合比；仿真分析1 绪论光耦合器大致分为分立光学元件组合型、全光纤型、平面波导型等类。

早期采用的是分立光学元件(例如棒透镜、反射镜、棱镜等)的组合、拼接等,其耦合机理简单、直观,可由一般的几何光学方法进行描述。

但这类方法存在损耗大、与光纤传输线路耦合困难、环境稳定性较差等不足。

后来逐渐发展到全光纤器件,即直接在两根(或以上)光纤之间形成某种形式的耦合。

最先出现的是由Sheem和Giallorenzi发明的蚀刻法,这种方法虽然简单,但制作出来的耦合器不仅不耐用,而且对环境温度的变化很敏感,缺乏实用价值。

Begrh等人发明的光纤研磨法克服了分立元件法的一些缺点,并可做成分光比可调的耦合器(目前仍是制作这类器件的一种选择),器件的实用性也是所提高,但制作困难,成品率低,环境特性也不理想。

八十年代初,人们开始用光纤熔融拉锥法制作单膜光纤耦合器,至今已形成了相当成熟的工艺和一套很实用的理论模型。

由于这种技术具有明显的优势,而成为当前制作光耦合器的主要方法。

集成化是未来光纤通信发展的必然趋势,集成光学在通信器件方面的应用会越来越广泛。

利用平面光波导原理制作的光耦合器具有体积小、分光比控制精确、易于大批量生产等特点,尤其适于制作多路均分(例如64路以上)的树形和星形耦合器。

目前其技术尚在发展、完善之中。

双波导耦合器属于定向耦合型器件，本次课程设计的研究对象为带状波导制作的双波导耦合器，主要利用Beamprop光学仿真软件来对双波导耦合器的耦合比与耦合区的长度进行仿真分析，得出它们之间的关系。

Beamprop 是一个高度集成了计算机辅助设计和模拟仿真的专业软件，专用于设计集成光学波导元件和光路。

此软件由美国RSOFT公司出品，它使用先进的有限差分光束传播法来模拟分析光学器件，用户界面友好，分析和设计光学器件轻松方便。

其主程序为一套完善的用于设计光波导元件和光路CAD设计系统，且可控制相关的模拟参数。

另一功能为模拟程序，它可以在主程序内或独立执行模拟分析工作，以图形方式显示域的特性以及用户感兴趣的各种数值特性。

它一般专门用来做光波导的模拟仿真，它使得设计工作具有巨大的灵活性。

2 设计原理2.1双波导耦合器简介双波导耦合器属于定向耦合型光波导器件，而定向耦合器是一种重要的集成光器件,基于它可以构成功分器、Mach一Zehnder干涉仪、波分复用器/解波分复用器以及带电极的调制器、光开关等,在光通信中有着广泛的应用。

集成光波导型器件在材料选择上,可以用二氧化硅、铌酸锂、磷化铟以及有机聚合物等等。

其中掩埋型二氧化硅波导具有传输损耗低及与光纤耦合效率高等优点在无源集成光器件中有着广泛的应用。

光波导耦合器由两个互相平行的直波导组成，当光从一个波导输入后，随着传播距离的增加，光波能量耦合到相邻的波导中，在用于波分复用时，不同的信道对应不同的耦合比，从而实现对光波的复用和解复用。

波分复用技术要求波分复用耦合器的耦合系数在波分复用的波段范围内波长具有较好的线性变化关系，这样才能保证信道间隔的均匀性。

2.2耦合器耦合机理本设计主要针对对称型双波导耦合器，对双波导耦合器的输出特性以及它的耦合区长度与耦合比之间的关系进行探究以此来得出相关结论。

如图2-1所示，双波导耦合器可以把一路波导传输的光信号耦合进另一路波导,它是一个四端口的网络，由两根靠近的波导组成。

图2-1 双波导耦合器的结构图设光从输入波导1进入耦合区,则由于横向间的耦合作用,光能量进入另一个光波导。

当两根平行的光纤相互接近时 , 他们各自传导的模场将引起对方光纤介质的极化 , 并激励起传导模 , 从而使双方的模场发生渗透和重叠进而产生耦合通过合理设计光波导的长度,可以形成任意分光比的耦合器。

2.3 光束传播法光束传播法是目前光波导器件研究与设计领域最流行的方法之一 , 光束传播法能够清晰阐述沿轴向横截面有变化的光纤中光的传播情况，如锥形收缩、弯曲、耦合等,并能描述光在光纤中的衰减或偏振改变等特性，因此是分析耦合器的重要工具。

光束传播法的基本思想是基于慢变包络近似，得出光束传播方程，并根据给定的初始场，一步一步地计算出各个传播截面上的场。

早期的光束传播法从标量波方程出发，通过慢变近似得到标量场，只能处理一个偏振分量，不能分辨出场的不同偏振 (TE模或TM 模)。

另外它所采用的网格是均匀网格，在处理楔形、弯曲波导时不是很适合。

由于上述这些缺点，人们做出了相应的改进，陆续提出了傅里叶变换光束传播法、有限差分光束传播法、有限元光束传播法、虚轴光束传播法、全矢量光束传播法等。

这些方法都是 B PM 方法在某些特定条件下的改进，因而在应用上都有很大局限性，应用时需要仔细的选择，才能使分析与设计既精确又快捷。

它是一种基于麦克斯韦方程组，建立逼近实际工程电磁场问题的连续型的数学模型，然后采用相应的数值计算方法，经离散化处理，使离散化的模型既能反映连续型模型的特性，把连续型数学模型转化为等价的离散型数学模型，计算出待求离散数学模型的离散解(数值解)，从而获得相应结果的一种方法。

时域有限差分法是近年来开始流行的一种数值模拟方法，它通过将麦克斯韦方程在时间空间上离散化的方法实现对电磁波传播的模拟。

它能够得到电磁波传输的瞬态（即时域）信息和频域信息。

Beamprop 使用先进的有限差分光束传播法来模拟分析光学器件，它是功能最强大的数值方法之一，它通过设置初始场，然后依时间步推进计算，并在每一时间步交替地计算每一离散点的电场和磁场。

2.4 双波导耦合器耦合比与耦合长度的关系耦合模理论是分析光纤耦合器耦合机理的有力工具。

耦合模理论最突出的优点在于能够诠释光波在波导中的物理行为,即波导中的同类模( 导波模、包层模和辐射模)之间、不同类模（导波模与包层模、导波模与辐射模、包层模与辐射模)之间的功率交换行为。

在单模光纤中，传导模是两个正交的基膜。

当传导模进入耦合区时，随着波导的不断变细，归一化频率V 值逐渐减小，有越来越多的光功率渗入包层中，因此实际上光功率是在由包层作为芯，纤外介质作为新包层的复合波导中传输的;在输出端，随着波导逐渐变粗，V 值逐渐增大，光功率被两光波导以特定的比例“捕获”。

在耦合区，两波导包层合并在一起，波导足够逼近，形成弱耦合【2】。

将一个波导看做是另一波导的扰动。

在弱导近似下，并假设波导是无吸收的，则有耦合方程组：⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-0cos sin sin cos exp 143A CL CL j CL j CL A A L i β(1)式中A1，A3，A4分别为光纤耦合器1端，3端，4端得模场振幅，C 为耦合系数，L 为耦合区长度，β为传播常熟。

对于此光耦合器来说，传播吸收沿着两个相互垂直的轴是不同的，式（1）可以写成沿x 和y 轴两个方程，则耦合系数C 为：))11(32/(322Vi a n C i +=πλ （y x i ,=） (2)式中λ为波长，2n 为包层折射率，a 为近似矩形的耦合区截面宽度，Vi 为归一化频率。

假设端口1输入的是线偏振光，光功率为P ，偏振方向和x 轴间的夹角为φ，沿x 轴和y 轴的功率分布【3】为：φ2cos P P x =，φ2sin P P y =。

与式（1）合并，端口3和端口4输出功率分别为：)cos sin cos (cos 22223L C L C P P y x φφ+= (3))sin sin sin (cos 22224L C L C P P y x φφ+= (4)耦合比c R 为耦合端（端口4）输出功率与总输出功率的比值【4】：%100*)sin sin sin (cos )/(2222434L C L C P P P R y x c φφ+=+= (5)由于C C C x y ∆+=,且CL ∆很小【5】，所以1cos ≈∆CL ,0sin 2≈∆CL ，带入式（5）可得： %100*sin 2L C R x c = （6）由式（2）和式（6）可以得到耦合比c R 和耦合区长度L 的关系。

由于正弦平方值在0到1之间，所以耦合比在0到100%之间，耦合比随耦合区的长度的变化而变化。

耦合模理论能够比较全面、精确、细致的描述光纤耦合器的耦合器特性及功率转换过程，并能给出精确的解析解。

缺点是需满足弱导近似条件，对构成光纤耦合器的横截面和折射率分布都有严格要求，且推演、求解过程繁冗，受问题边界条件的限制，能够得到的解析解有限。