| 题 目 | 1×4平面波导型光分路器的仿真与优化 | |||||
| 姓名 | 张诚哲 | 学号 | B10030621 | 专业 | 光电信息工程 | |
| 一、课题任务的学习 基于光纤通信原理，通过平面波导型光分路器原理波导的横向耦合理论的学习，理解光接入网的原理，应用光分路器的知识，通过Optic BPM软件，用Y分支波导结构对1×4分路器进行仿真研究，设计出符合行业标准的光分路器，得到设计优化参数，包括插入损耗、信道均匀性、隔离度等，并对各种设计方法设计出的芯片的性能进行比较，同时提出优化方向 PLC平面波导型光分路器(PLC Splitter)是一种基于石英基板的集成波导光功率分配器件，与同轴电缆传输系统一样，光网络系统也需要将光信号进行耦合、分支、分配，这就需要光分路器来实现。是光纤链路中最重要的无源器件之一，是具有多个输入端和多个输出端的光纤汇接器件，特别适用于无源光网络(EPON，GPON，BPON等)中连接局端和终端设备并实现光信号的分路。 为了完成本课题的研究设计任务，我要通过对各种相关文献的的学习和参考并结合自己的思考，理解平面光波导的基本原理，以及光分路器的相关知识，学习Opti BPM软件的使用，完成对1×4分路器的仿真研究。 二、平面波导型1×4光分路器综述 功率分路器在光通信系统、光纤用户网、光纤CATV、光无源网络(PON) 、光局域网等领域中被广泛应用,它经常用来实现对光路连接、光信号传输方向控制、光信号功率分配、各个器件之间的耦合控制等等。随着光通信技术的飞速发展，世界范围内对光功率分路器的需求量大大增加[1]。光分路器作为FTTx的核心无源光器件，其成本在每个FTTx用户投资成本中占有比较大的比例，而且光分路器端的用户多，它的可靠性也就变得相当重要。 （转附页） | ||||||
| 指导教师批阅意见 | 指导教师（签名）： 2014年 月 日 | |||||
（接前页）
功率分路器的优点：
1）损耗对传输光波长不敏感，可以满足不同波长的传输需要。
（2）分光均匀，可以将信号均匀分配给用户。
（3）结构紧凑，体积小,可以直接安装在现有的各种交接箱内，不需特殊设计留出很大的安装空间。
（4）单只器件分路通道很多，可以达到32路以上。
（5）多路成本低，分路数越多，成本优势越明显。
而现在实际建设中应用的光分路器经测试发现很多问题，还有待进一步发展，尤其是分路器芯片的优化设计。
功率分配器的发展状况：
光功率分配器在光通信系统、光纤用户网、光纤CA TV、光无源网络 ( PON)、光局域网等领域中被广泛应用 ,它常常用来实现对光路连接 、 光信号传输方向控制、光信号功率分配、各器件之间的耦合控制等。因此光接入网中几乎使用所有的无源光器件,而且用量十分大 ,在大量应用的无源器件中,光功率分配器和波分复用器最为重要,因为它们是无源光接入网 ( PON) 的核心。国际电信联盟 ( I TU ) 将光耦合器 ( 包括光功率分配器) 定义为“具有集成化、多功能的部件” 。 它的发展大致可分为三个阶段: 20世纪 80 年代,为了探讨制造光耦合器的工艺方法 , 各种结构和制作方法应运而生 ,多达近10种; 20世纪90年代 ,经过进一步研究 ,各种结构和工艺的优缺点逐渐分明 ,形成以玻璃、晶体、半导体和有机物为主要材料, 以X型 , Y 型、星形和树形等为主要结构的局面; 20 世纪末 21 世纪初,为适应光纤接入网和局域网的要求 ,光功率分配器进入了第三个发展阶段。新一代光功分器要求体积小、耗损低、重量轻、可靠性高、易集成 ,以及性能价格比最佳。
三、平面波导型1×4光分路器的仿真优化的基本原理
1. 基本原理介绍
采用Y分支波导结构设计平面波导型1×4分路器，分别改变波导长度、横截面尺寸、波导宽度，波导分支角以及材料折射率，分析得到相应的性能变化规律，包括插入损耗、信道均匀性、隔离度等。并讨论采用隔离波导的结构设计对1×4光分路器性能的影响。
图（一）
使用图（一）的Y 分支波导功率分配的模式变化。
信道的均匀性（FL）是用来衡量均匀器件的“不均匀程度”的参数[3]。定义为在工作带宽范围内，均匀分光的光分路器各输出端口输出光功率的最大变化量，以分贝（dB）表示，用（1）式计算：
（dB） （1）
附加损耗（EL）定义为光功率分路器所有输出端口的光功率总和相对于全部输入光功率（被测波长）的减小值[4]。该值以分贝（dB）表示，用（2）式计算：
（dB） （2）
其中，—第i个输出端口的光功率，单位mW；—注入光功率，单位mW。
注：附加损耗是体现器件制造工艺质量的指标，反映的是器件制作过程的固有损耗，这个损耗越小越好，是制作质量优劣的考核指标。
利用控制变量法，通过改变波导结构参数，对4路分支波导的输出光场分布特性进行仿真分析。
2. Opti BPM软件介绍
OptiBPM 是一款用于复杂光学波导设计的综合型 CAD 环境，使用者界面友善，可对光子器件中的光信号执行导向、耦合、切换、分解、多路复用和多路解复用等操作。光束传播法，或称为 BPM，是OptiBPM的核心，是一种一步接着一步来仿真光通过任何波导物质的行为，在积体光学及光纤光学中，当光传播经过一可传导的结构时，其光场可以在任一点被追踪出来，BPM可以允许观察任一点被仿真出的光场分布，而且可以容许同时检查辐射光及被传播的光场。
图二
图二所示为OptiBPM中布置4路分支波导
四、课程设计进度
第1-2 周：查阅文献，深入了解平面光波导的基本原理，以及光分路器的相关知识，调研光分路器在光接入网中的应用及特点，并完成开题报告。
第3-4周：学习和掌握Optic BPM软件的使用，调研光分路器制作工艺。
第5-6周：初步仿真实现得到1×4平面光波导结构，得到其光场分布，并初步完成英文资料翻译工作。
第7 周：完成中期检查。
第8-9 周：进一步完善1×4光分路器的结构设计仿真，并研究波导相关参数对1×4光分路器设计的性能指标影响。
第10-11 周：改变不同的波导设计参数以及结构优化，研究1×4光分路器的优化规律。
第12-13 周：完成毕业论文的初稿。论文修改、定稿，准备答辩。
第14 周：毕业论文答辩。
参考文献：
1. Wang L.L., An J.M., Wu Y.D.,etal. A compact and low-loss 1×8 optical power splitter using silica-based PLC on quartz substrate[J]. Optics Communications, 2014, 312(1):203-209.
2. Chung K.K., Chan H.P., Chu P.L., A 1 × 4 polarization and wavelength independent optical power splitter based on a novel wide-angle low-loss Y-junction[J]. Optics Communications, 2006, 267 (2): 367-372.
3. Takahiro Ono *, Qiang Chen *, Toshiaki Tsuda *, Tomohiro Watanabe *, Taketsugu Sawamura *,.2Ã2 photonic PLC Products for FTTH Systems[J].OPTICS LETTERS, December 1, 2010, 54(33).
4. Joo Beom Eom,.2Ã2 photon2Ã2 photonic crystal fiber splitter based on[J].OPTICS LETTERS, December 1, 2010, 34(23).
5. 佟西周,周骏,郑慧茹,祁义红,薛春华.新型低损耗级联式 1×4 光分路器的优化设计.光电工程.2007.34(10)
6. 刘大伟.光纤阵列与光波导耦合系统的研究[D].哈尔滨工业大学.2008
7. 刘震.光通信用有增益光分路器的研究[D].电子科技大学, 2003.
8.周自刚，刘德森. 光功率分配器[J]. 光学技术, 2003, 29(1): 79-82.
9.胡台光. 光接入网与光器件[J]. 光通信技术，1998，22（2）:79-85.
10.杨建义，王明华. 光波导弯曲的结构优化[J]. 光电子 激光，1999，10(4):305-309.下载本文
