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1、URTP结题论文题名：基于波导结构的光隔离器研究组员:王健邱玮朱馨怡学校：电子科技大学学院：光电信息学院基于波导结构的光隔离器研究王健邱玮朱馨怡（电子科技大学光电信息学院）摘要：基于波导结构的光隔离器，分析了最初提出结构的可行性，分析对称结构和互易结构不能作为隔离器的原因，并提出来相应的可行结构，并进行仿真验证关键字：光隔离器；光波导；对称性；洛伦兹互易定理TheStudyofOpticalIsolatorBasedOnTheStructureofWaveguideWangJian.QiuWei.ZhuXinYi(Universityofelectronicscienceandtechnolo
2、gyPhotoelectricinformationinstitute)Abstract:opticalisolatorbasedonthestructureofwaveguide,analysisthefeasibilityoforiginalstructure,analysisthereasonwhysymmetricalstructureandreciprocalstructurecannotbetreatedastheisolator.Putforwardthecorrespondingfeasiblestructure,simulationandverification.Keywor
3、ds:Opticalisolator;Opticalwaveguide;Symmetry;Lorentzreciprocitytheorem光隔离器是阻止光在一个方向传播,但允许光通过相反的方向的装置。光隔离器有着较为重要的应用背景，例如：防止反射光对激光手术的干扰,或减轻光学通信系统的多路径干扰。此外,由于隔离器能够抑制杂散干扰、不同设备之间的相互作用，它的使用普遍提高了整个系统的可设计性。1最初提出的基于光波导的隔离器的结构根据光的全反射定理，我们提出了由两条端口为斜切面的纤芯组成的光纤。由于折射率的不同，光从一端入射时可达到正向传输的目的，而从另一端入射时由于全反射现象，可以形成光的隔离
4、。通过调整斜面两侧材料的折射率（或掺杂浓度）或调整鞋面的角度，达到最佳的光隔离效果。但仿真结果表明，无论调整斜面的角度或是调整两侧光纤的折射率，得到的结果均无法满足光隔离器的要求。当改变两侧的折射率，隔离效果无较大变化，当改变斜面的倾角，在40度到60度时效果最佳，但仅能达到95%的隔离，远远不能满足此结构作为光隔离器的要求。同时计算的结果也证明，提出的结果是不成立的。我们提出为的对称结构，其散射矩阵为对称矩阵，公式推导的结果证明，作为理想的光隔离器，其散射矩阵必须为非对称矩阵（关于这一点将在以下内容中进行证明）。因此关于在设计初期提出的结构并不能作为隔离器完成光隔离的要求。由此，基于公式推导
5、的结果，我们提出了新的设想。2理论推导提出新的结构从系统设计的角度来看,因为反射通常是由随机生成的结构缺陷，所以反射光的模态和偏振属性是未知的。在这种情况下,只有打破了洛伦兹互易理论的系统才能够用于防止光从前面的系统返回，即完成光隔离的功能。为了方便理论证明，假设一个虚构的封闭边界面Ω，Ω内的装置假定是线性、时间独立、双向的并且有传输损耗或增益，光线进入Ω的唯一途径是通过光无损互易的波导。光在波导中的传播可以用模来描述（即波导的麦克斯韦特征方程），且可延伸到无穷远。由于假设了无损的波导，则导模的波前是水平的。界面Ω的选择使所有的波导对于Ω是均衡的,且假定波导和导模基本上是不重叠。导模在其向装置
6、传播和从装置返回的方向上总有确定的值。导模的组份与Ω的切向上可以用如下方程描述：其中z是每个波导的传播方向,aμ为波传播到结构中时的复振幅,bμ是波反向传播的振幅,βμ是模的传播常数。两个模式μ和ν标准正交化。因此有：δμν是克罗内克符号。如果有一列波沿着波导传播,如方程(1)和(2)中表示,其产生的场在导模中叠加。Ω表面的正交场(假设每个馈电波导的z=0)可以写成：从方程(1)、(2)和(3),我们获得界面Ω的平衡总功率：这里,A和B都是分别包含aμ和bμ元素的列向量。由于我们假设系统是线性、时间独立的,因此出射波完全由入射波的设备的结构性质决定。这意味着A和B之间存在线性关系,可以写成矩阵
7、形式：A和B都是分别包含aμ和bμ元素的列向量，矩阵S为散射矩阵。S的对角元素表示各个模的反射系数,非对角元素表示模的传输系数。由于反向的传输模式不同，隔离器的散射矩阵必须是不对称的。以下证明若满足洛伦兹互易定理，则其散射矩阵必然是对称的：考虑两个激励模式振幅列向量A’、B’和A”、B”以及相应的场E’(x,y,z)、H’(x,y,z)、E”(x,y,z)和H”(x,y,z)。第一次激发的时谐无源
