单模光纤和光波导器件连接耦合技术的研究

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1、东南大学硕士学位论文摘要光波导和单模光纤(SMF)的耦合是光波导器件研制过程中的关键技术之一。影响其有效耦合的主要因素是模场失配。模斑转换器(SSC)是解决模场失配问题的一种有效手段，己成为光波导器件的光波入／出口元件。本文首先从Maxwell方程组出发，系统总结了有限差分束传输法(FD．BPM)，推导出基于慢变包络近似(SEVA)的三维时域有限差分束传输方程(FDTD—BPM)，并进一步将交替隐式迭代法(ADIM)和综合道格拉斯格式(GD)应用于该方程，得到了具有较高稳定性和较高精度的的差分方程。同时，对激励源和边界条件的使用都作了较为详

2、细的探讨。接着，本文基于FD-BPM深入研究了基于GaAs半导体材料的脊型光波导和单模光纤间SSC，分析了其中光波传输演变以及引起插入损耗的各种因素，如侧面边界、长度、大端宽度和厚度，以及连接光纤和模斑转换器的过渡波导的有关参数，分别确定了二维、三维锥形光波导模斑转换器、三维锥形光波导模斑转换器和过渡波导的最佳参数。对横向偏移与损耗增量的关系、SSC中的光波模式转换和光功率传输演变作了数值仿真，获得了最佳耦合点，对SSC的横向校准容差也作了详细的分析。最后，本文还将模斑转换器应用于平面光波导器件，进行了实验，并对器件作了检测和验证，获得了预

3、期的结果。[关键词]：平面光波导器件，连接耦合，模场失配，模斑转换器，束传输法，时域有限差分法，综合道格拉斯法。查童盔堂墅主堂堡堡塞!!AbstractThecouplingbetweensinglemodeopticalfiber(SMF)andopticalwaveguideisoneofcriticaltechniquesduringtheperiodoftheresearchanddevelopmentforopticalwaveguidedevices．Themainfactorinfectingthecouplingeffici

4、encyismodefieldmismatch．Spot—sizeconverter(SSC)isaeffectivemeanstoeliminatemodefieldmismatchandhasbecometheimportantin／outcomponentinopticalwaveguidedevices．Inthispaper，firstly,basedonMaxwellequationsandSlowlyVaryingEnvelopApproximation(SVEA)，themodelforthreedimensionaltim

5、e·domainfinitedifferencescalarbeampropagatingmethod(BPM)isdeducedaftermakingathoroughsummaryofthefinitedifferencemethod．Andthen，byusingalternatingdirectionimplicitmethod(ADIM)andgeneralDouglas(GD)，thefinitedifferenceequationswithhighstabilityandprecisionhavebeenobtained．At

6、thesametime，theboundaryconditionandstimulantsourcehavealsobeendiscussedindetail．Subseqtlently,the2Dand3DmperedSSCforconnectingSMFtoribopticalwaveguidebasedonGaAssubstratehavebeeninvestigatedintensivelybyusingFD·BPM．WeanalyzeandsimulateLight-wavetransmittingintheseaswellass

7、omeparametersthatcouldinducetheinsertionloss，suchaslateralboundaries，length,widthofthelargesection，thicknessandthoseofthetransitionalopticalwaveguidesforconnectingSMFtoSSC．Optimaldesignon2D·T-SSC，3D-T-SSC，andthetransitionalopticalwaveguideareacquired，respectively．Theinsert

8、ionlossversusthetransverseoffset，themodetransferandthelightwavetransmissioninSSCarenumeri