【摘要】：光通訊網(wǎng)絡(luò)是支撐現(xiàn)代信息社會(huì)發(fā)展的重要核心系統(tǒng)�；ヂ�(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展使數(shù)據(jù)通訊量呈指數(shù)增長,但受限于單模光纖的單波長傳輸容量限制,傳統(tǒng)光通信系統(tǒng)中基于波分復(fù)用技術(shù)的帶寬拓展已經(jīng)很難滿足流量的飛速增長,需開發(fā)與利用不同的光維度來提升光纖的傳輸能力。近年來,模式分離與復(fù)用技術(shù)(Mode Division Multiplexing,MDM)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和發(fā)展?jié)摿?獲得廣泛關(guān)注。MDM是一種通過有效利用光纖中不同模式,增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)傳輸容量的新方法。與波分復(fù)用類似,它通過光模式的拓展來提升傳輸容量,該技術(shù)可以與多芯光纖結(jié)合,使光主干網(wǎng)絡(luò)同時(shí)容納并傳輸利用多種模式,以有效增加信道的容量。本文對(duì)MDM系統(tǒng)中的核心器件-光開關(guān)、模式轉(zhuǎn)換器及復(fù)用/解復(fù)用器進(jìn)行了理論設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)制備,完成了相關(guān)器件的理論分析與設(shè)計(jì),并利用紫外光刻和等離子刻蝕等標(biāo)準(zhǔn)工藝完成了器件制作,并對(duì)其進(jìn)行了表征與測(cè)試。論文主要包括以下幾部分:1.設(shè)計(jì)并制備了帶有空氣隔離槽結(jié)構(gòu)的低功耗無偏置1×4熱光開關(guān),實(shí)現(xiàn)模分復(fù)用系統(tǒng)中不同模式復(fù)用通斷控制。采用光束傳播法設(shè)計(jì)了器件結(jié)構(gòu),通過控制不同電極的工作狀態(tài),使光信號(hào)分別被路由到4個(gè)輸出端口。該器件將二氧化硅作為襯底以提高其響應(yīng)速度,通過刻蝕出空氣隔離槽及采用聚合物波導(dǎo)降低器件的功耗。采用有限元法計(jì)算對(duì)比了二氧化硅和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)做襯底、有空氣槽和無空氣槽情況下開關(guān)的性能。對(duì)所制備開關(guān)器件的測(cè)試和表征結(jié)果顯示,波導(dǎo)通光狀況良好,開關(guān)響應(yīng)的上升與下降時(shí)間分別為160和80μs,消光比20 dB,開關(guān)功耗6 mW。2.設(shè)計(jì)了一種采用X節(jié)垂直耦合結(jié)構(gòu)的模式轉(zhuǎn)換器,以及基于X節(jié)垂直耦合結(jié)構(gòu)的模式復(fù)用/解復(fù)用器。三維垂直結(jié)構(gòu)模式轉(zhuǎn)換器的上、下兩芯層折射率相同,通過改變波導(dǎo)幾何尺寸和夾角,可實(shí)現(xiàn)從LP_(01)到LP_(11a)、LP_(11b)、LP_(21a)模式的轉(zhuǎn)換�；谠撃Ｊ睫D(zhuǎn)換器所設(shè)計(jì)的模式復(fù)用器件可實(shí)現(xiàn)LP_(01)、LP_(11a)以及LP_(21a)模式的復(fù)用與解復(fù)用。論文還對(duì)器件的工藝容差,帶寬,以及容量拓展方法進(jìn)行了分析與討論。3.設(shè)計(jì)了一種低功耗的光模式轉(zhuǎn)換開關(guān)陣列,詳細(xì)分析了光場(chǎng)和電極通斷與模式輸出的關(guān)系。通過控制不同電極的工作狀態(tài),可以實(shí)現(xiàn)LP_(01)、LP_(11a)、LP_(11b)、LP_(21a)四種模式的15種不同組合與通斷,最大模式組合驅(qū)動(dòng)功耗僅需18 m W。該器件可以與光纖或波導(dǎo)結(jié)合,從而構(gòu)建完整的模分復(fù)用系統(tǒng)。
【圖文】：

瀏覽內(nèi)容的持續(xù)增加給網(wǎng)絡(luò)造成越來越大的壓力。根據(jù)A 消費(fèi)者調(diào)查報(bào)告，全球范圍內(nèi) 75%的手機(jī)與電腦用戶都在線觀實(shí)時(shí)流媒體，產(chǎn)品供應(yīng)商和科研人員需要開發(fā)出提升數(shù)據(jù)傳輸容供消費(fèi)者高質(zhì)量的娛樂與視頻體驗(yàn)。傳統(tǒng)的光通信中，基于單模技術(shù)的帶寬拓展技術(shù)已經(jīng)很難滿足流量的飛速增長[1]，，需要開發(fā)維度來提升光纖的傳輸能力，如模式和偏振態(tài)等[2-5]等。模式分離ode division multiplexing/MDM）是一種通過有效利用光纖中不同傳輸容量的新方法[6]，與波分復(fù)用類似，它通過光模式的拓展來，該技術(shù)可以與多芯光纖結(jié)合，使光主干網(wǎng)絡(luò)同時(shí)容納并傳輸利有效增加信道的容量。 1.1 所示，在信號(hào)輸入端，通過光模式復(fù)用器，不同模態(tài)的光被輸入，并最終復(fù)用到骨干光網(wǎng)絡(luò)中。在信號(hào)接收端，通過模式解復(fù)模式又從主干道中被解出到不同的端口之中，并且各種光的模式不相互干擾。這樣一來，光主干網(wǎng)絡(luò)中就可以同時(shí)傳輸多種光信絡(luò)具有更高的光傳輸容量。如果與波分復(fù)用相結(jié)合，則可進(jìn)一步信系統(tǒng)的傳輸容量。

自上世紀(jì)80年代以來，人們提出了多種基于不同結(jié)構(gòu)與材料的MDM器件，主要包括基于光纖和基于波導(dǎo)兩種類型。其中，基于光纖的 MDM 器件主要包括長周期光纖光柵、光子燈籠和模式選擇耦合器等結(jié)構(gòu)；基于波導(dǎo)的 MDM 器件主要有光柵、馬赫-曾德爾干涉儀（Mach Zehnder Interferometer,MZI）和平面耦合器等結(jié)構(gòu)。1986 年，研究人員 Byoung Kim 等設(shè)計(jì)了基于光纖耦合器的模式轉(zhuǎn)換器件，它通過平行耦合器結(jié)構(gòu)在光纖中實(shí)現(xiàn)了從 LP01模式到 LP11模式之間的轉(zhuǎn)換，模式轉(zhuǎn)換效率大于 97%[9]�？臻g分離與復(fù)用技術(shù)（SDM）的提出，成為拓展信息容量另一種非常有效的方法。2011 年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的 R. Ryf 等研發(fā)人員人提出一種基于相位板的模式復(fù)用與解復(fù)用系統(tǒng)[10]。李桂芳教授利用高階模式光纖實(shí)現(xiàn)了超過 1000km 的遠(yuǎn)距離通信，并獲得了相關(guān)的專利[11]；日本的研究人員提出了為了提升光纖傳輸容量的“3M”技術(shù)，被視為通信領(lǐng)域革命性技術(shù)之一[12]。在 2014 年香港城市大學(xué)的研究人員[13]報(bào)道了一種可調(diào)制的模式復(fù)用/解復(fù)用器件，通過在 MZI 結(jié)構(gòu)上施加熱場(chǎng)調(diào)諧的方式實(shí)現(xiàn)了 LP01模式與 LP11a模式之間的轉(zhuǎn)換，并可以通過加熱的方式進(jìn)行切換。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN929.1

【參考文獻(xiàn)】

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1 閆云飛;鄭傳濤;孫小強(qiáng);王菲;張大明;;Fast response 2×2 thermo-optic switch with polymer/silica hybrid waveguide[J];Chinese Optics Letters;2012年09期

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1 文雪;聚合物基光波導(dǎo)光纖耦合及封裝研究[D];大連理工大學(xué);2011年

本文編號(hào)：2612029