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应用于光通信的平面波导器件和液晶器件若干问题的研究

作　者: 王谦
导　师: 何赛灵
学　校: 浙江大学
专　业: 光学工程
关键词: 平面波导器件液晶器件光通信若干问题光器件液晶盒结构参数耦合器液晶材料附加损耗
分类号: TN929.11
类　型: 博士论文
年　份: 2004年
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内容摘要

光波作为信息载体，在信息的传输、显示、存储以及检测等应用领域发挥着越来越重要的作用，光器件是光波信息处理中的核心技术。本论文研究了应用于光通信的平面波导光器件与液晶光器件，提出了一些新型的器件结构、器件模拟计算以及设计优化的新方法，解决了平面波导光器件与液晶光器件研制中的若干问题。在平面波导光器件研制中，提出了高折射率差二氧化硅波导与光纤的新型低损耗连接，与现有波导单侧变窄的结构相比较，有效的降低了连接损耗，同时具有偏振相关损耗低，工艺容差性好的优点。研究了Y分支耦合器中分支顶端间距(为工艺制作方便)带来的附加损耗，提出了低损耗新型Y分支耦合器结构，并给出了相关结构参数的优化设计方法，我们的理论计算和实验测试结果均表明，该新型结构可以在常规光波导制作工艺下提高器件的指标。对于弱限制波导下多模干涉耦合器，提出了器件结构参数的新型设计方法(对于1×N型多模干涉耦合器提出了参数空间法，对于N×N型多模干涉耦合器引入了遗传算法)，提高了器件输出的均匀性和降低了器件的附加损耗。对于定向耦合器，输入与输出波导区间内两波导间的耦合会影响器件结构参数(即中心耦合区长度)的设计，一般应用束传播法多次模拟光场传输来寻找最佳的结构参数，本论文提出了定向耦合器结构参数的两种新型设计方法，我们的数值模拟和实验测试均表明这两种方法能精确快速确定出结构参数。本论文分析了Mach-Zehnder干涉仪级联形式之间的关系，提出了通带平坦化分叉复用器的新型设计方法，与现有两种方法(应用数字滤波器设计方法以及傅立叶展开法)相比较，本文提出的设计方法直观、简单。在基于级联Mach-Zehnder干涉仪的宽带器件设计中，本论文建立了定向耦合器波长敏感性的近似模型，并在此基础上提出了通过对初始结构(即不考虑定向耦合器波长敏感性的设计结果)做微扰来确定宽带器件结构参数的设计方法。液晶作为空间光调制器在光电信息处理中有着广泛的应用。基于液晶技术实现的光器件目前开始应用于光通信领域，实现光信号的衰减、传输方向的切换以及滤波等功能。本论文在液晶光器件的模拟计算方面，提出了液晶指向矢空间分布求解的新型算法，与已有算法相比较，具有简单稳定、精度高和通用性强的优浙江大学博士学位论文点;对于液晶材料参数未知的情况，提出了用于预测液晶盒电光特性的新型近似模型，分析了己有模型的参数确定问题，新模型提高了在预测不同厚度下液晶盒电光特性的精度;提出了液晶光波传输2x2扩展琼斯矩阵的简便形式。提出了基于弱锚定平行排列液晶盒的可变光衰减器(衰减范围大、衰减曲线下降平缓以保证调节精度)，与己有液晶型可变光衰减器结构(选用特定液晶材料、两个液晶盒级联结构)相比较，本论文提出的基于弱锚定平行排列液晶盒的可变光衰减器结构简单，同时对于液晶材料无特殊要求。本论文提出了宽带(无色差)线偏振转换器(基于扭曲向列液晶盒)结构参数的新型优化设计方法，与基于己有方法得到的结果相比较，提高了器件的宽带线偏振转换性能。

全文目录

摘要  2-4
Abstract  4-10
第一章概述  10-29
  1.1 光器件概述  10-12
    1.1.1 引言  10-11
    1.1.2 光器件的研制  11-12
  1.2 本论文研究内容概述  12-20
    1.2.1 平面波导光器件的研究  12-17
    1.2.2 液晶光器件的研究  17-20
  1.3 本论文的主要创新点  20-22
  参考文献  22-29
第二章平面波导的光传输以及与光纤的新型低损耗连接  29-79
  2.1 光波导本征模式的求解  29-45
    2.1.1 引言  29-31
    2.1.2 二维平面光波导  31-34
    2.1.3 三维结构光波导  34-44
    2.1.4 小结  44-45
  2.2 光波导器件的光场传输模拟--束传播法  45-67
    2.2.1 引言  45-47
    2.2.2 有限差分束传播法的边界处理  47-59
    2.2.3 频域束传播法  59-67
    2.2.4 小结  67
  2.3 高折射率差二氧化硅波导与光纤的新型低损耗连接  67-76
    2.3.1 引言  67-68
    2.3.2 单根波导与光纤的耦合损耗计算  68-69
    2.3.3 Y分支波导模斑转换器及其参数设计  69-75
    2.3.4 结论  75-76
  参考文献  76-79
第三章平面波导型耦合器的研制  79-141
  3.1 新型低损耗Y型分支耦合器的研制  79-92
    3.1.1 引言  79-81
    3.1.2 带多模波导过渡区的Y型分支耦合器  81-82
    3.1.3 基于参数空间扫描法的优化设计  82-85
    3.1.4 新型Y-分支耦合器的实验验证  85-86
    3.1.5 基于全局优化算法的低损耗Y型分支波导设计  86-90
    3.1.6 非对称的Y分支波导  90-91
    3.1.7 结论  91-92
  3.2 弱限制波导的多模干涉耦合器结构参数的优化设计  92-110
    3.2.1 引言  92
    3.2.2 1×N型多模干涉耦合器的优化设计  92-103
    3.2.3 N×N型多模干涉耦合器的优化设计  103-110
    3.2.4 结论  110
  3.3 定向耦合器结构参数的精确快速设计  110-125
    3.3.1 引言  110-111
    3.3.2 二维与三维计算模型的比较  111-114
    3.3.3 基于束传播法模拟光正反向传输的设计  114-119
    3.3.4 基于束传播法和局部超模解结合的简便设计  119-125
    3.3.5 结论  125
  3.4 我们的二氧化硅波导器件实验制作  125-138
    3.4.1 等离子体增强化学气相沉积(PECVD)  127-131
    3.4.2 Lift-Off金属掩膜制作  131-134
    3.4.3 电感耦合等离子刻蚀(ICP)  134-136
    3.4.4 制作的波导器件的测试结果  136-138
  参考文献  138-141
第四章基于级联M-Z干涉仪的Interleaver和宽带器件  141-166
  4.1 通带平坦化交叉复用器结构参数的优化设计  141-150
    4.1.1 引言  141-142
    4.1.2 Mach-Zehnder干涉仪级联形式之间的关系  142-145
    4.1.3 通带平坦化的Interleaver  145-148
    4.1.4 Interleaver器件的色散考虑  148-149
    4.1.5 结论  149-150
  4.2 宽带器件结构参数的优化设计  150-163
    4.2.1 引言  150-151
    4.2.2 定向耦合器的波长敏感性  151-153
    4.2.3 宽带耦合器件的优化设计  153-155
    4.2.4 基于级联Mach-Zehnder于涉仪的粗波分复用器设计  155-162
    4.2.5 结论  162-163
  参考文献  163-166
第五章液晶器件的光波传输与制作  166-192
  5.1 引言  166-167
  5.2 液晶光器件光波传输4×4矩阵法  167-179
    5.2.1 Berreman矩阵法以及液晶盒边界上的处理  167-170
    5.2.2 4×4矩阵法在液晶光器件模拟中的应用  170-179
    5.2.3 法布里-珀罗干涉效应的消除  179
  5.3 光波在液晶光器件中的单向传输  179-186
    5.3.1 正入射下扭曲向列液晶盒光波传输  179-181
    5.3.2 无奇异2×2矩阵计算  181-186
  5.4 液晶盒制作与测试  186-190
    5.4.1 液晶盒制作关键性材料与工艺  186-189
    5.4.2 我们的液晶盒制作流程与电光特性测试  189-190
  参考文献  190-192
第六章液晶电光特性模拟和液晶光器件的设计及优化  192-243
  6.1 计算液晶指向矢空间分布的差分迭代算法  192-205
    6.1.1 引言  192-193
    6.1.2 指向矢分布求解原理  193-194
    6.1.3 指向矢空间分布求解的数值计算  194-197
    6.1.4 指向矢计算结果比较  197-205
    6.1.5 结论  205
  6.2 用于预测强锚定液晶盒电光特性的新型近似模型  205-221
    6.2.1 引言  205-207
    6.2.2 新模型的提出、模型参数的确定以及模型的数值验证  207-217
    6.2.3 与双参数模型的比较  217-221
    6.2.4 结论  221
  6.3 液晶型可变光衰减器的设计与分析  221-230
    6.3.1 引言  221-223
    6.3.2 扭曲向列液晶盒和平行排列液晶盒的电光特性  223-226
    6.3.3 基于弱锚定液晶盒的平行排列液晶盒电光特性  226-230
    6.3.4 结论  230
  6.4 宽带线偏振转换器件  230-239
    6.4.1 引言  230-231
    6.4.2 单个液晶盒实现的偏振转换器  231-235
    6.4.3 三个液晶盒实现的偏振转换器  235-239
  参考文献  239-243
总结与展望  243-246
  本论文的工作总结  243-244
  今后的工作展望  244-246
已发表的学术期刊论文  246-248
已申请的国家发明专利  248-249
致谢  249

应用于光通信的平面波导器件和液晶器件若干问题的研究

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