一、设计模式复用支持系统的设计实现（论文文献综述）
许弘楠[1]（2021）在《面向多维复用的硅基亚波长结构集成光子器件研究》文中研究说明伴随着微电子技术的快速发展与数据处理需求的爆发性增长,芯片互联与数据中心通信正面临着日益严重的传输带宽瓶颈。基于多维复用的新型光互联技术则通过结合波长、偏振、模式等多个维度,提供了一种可行的解决方案。硅基集成光子器件凭借其紧凑的器件尺寸、极低的工作能耗与成熟的加工工艺,被广泛视作构建基于多维复用光互联系统的最佳平台之一。近年来,包括亚波长光栅、超材料、超光栅在内的硅基亚波长结构逐渐兴起,并被应用于波长、偏振、模式等光子特性的精确调控。本文涉及的主要工作是,通过结合硅基亚波长结构与硅基集成光子学,实现一系列具有低损耗、低串扰、大带宽,并可用于片上、片间及空间多维复用的硅基集成光子器件。我们首先讨论了在硅基集成光子器件的仿真、加工与测试方法,并在此基础上,依次对偏振维度、模式维度、波长维度调控以及空间多维光通信中涉及的几类关键器件进行研究。针对偏振维度调控,我们利用硅基亚波长光栅的各向异性与色散特性,提出三类高性能偏振调控器件,即硅基偏振分束器、硅基起偏器与硅基偏振旋转器。对于硅基偏振分束器,我们提出一种基于亚波长光栅异质结的新颖结构。通过拼接光轴取向正交的亚波长光栅,构造了一种具有显着各向异性的耦合器结构,从而有效地分离了输入的正交偏振态。这一器件可以实现215nm以上的工作带宽。对于硅基起偏器,我们提出一种新颖的亚波长光栅/弯曲波导混合结构。通过结构参数优化,可以使得亚波长光栅对TE、TM偏振态产生显着的等效折射率差,从而有效地增强弯曲损耗的偏振相关性,从而保证输入光中的TM分量被完全滤除。这一器件可以在415 nm以上的光学带宽范围内保证低插入损耗与高偏振消光比。对于硅基偏振旋转器,我们提出一种新颖的亚波长光栅/缺角波导混合结构。我们将传统缺角波导中的缺角部分替换为亚波长光栅,利用亚波长光栅的异常色散特性,消除了偏振转化长度的波长相关性,从而实现了 415 nm以上的超大光学带宽。针对模式维度调控,我们利用亚波长光栅与超材料的折射率调控特性,提出三类高性能多模传输相关器件,即硅基多模波导弯曲结构、硅基多模波导交叉结构与硅基多模波导功分器。对于多模弯曲传输,我们提出一种新颖的渐变折射率模式转换器,将输入的直波导模式完全转化为相应的弯曲波导模式。我们实验验证了半径30μm以下的4模式弯曲传输,实验测得1.5 dB以下的插入损耗与-20 dB以下的模间串扰。对于多模交叉传输,我们提出一种新颖的Maxwell鱼眼透镜结构,并利用其共轭成像特性将任意高阶模式无损地传输至对侧。我们实验验证了基于这一结构的2模式交叉传输,实验测得插入损耗仅为0.28 dB,同时串扰低于-20 dB。对于多模分束传输,我们提出一种新颖的等效介质分束镜结构,通过调控亚波长光栅的等效折射率,将特定比例的入射光反射至输出端口,从而实现低损耗、低串扰的多模分束传输,并且具有415 nm以上的超大光学带宽。针对波长维度调控,我们提出一种基于连续区束缚态的硅基超光栅滤波器。利用波导内部的干涉相消效应,消除Bragg谐振态的横向衍射损耗,从而产生具有高品质因子的准束缚态。我们实验验证了临界波导宽度附近准束缚态的建立过程,并且利用这一机制构造了Q值5000以上、自由光谱范围100 nm以上的窄线宽滤波器。针对空间多维光通信,我们提出一种基于连续区束缚态的硅基超光栅光学天线。利用不同衍射通道之间的干涉相消效应,有效抑制了光栅天线的衍射强度,并实现了平坦的衍射强度光谱。实验测得衍射强度仅为3.3×10-3 dB/μm,对应0.027°以下的超小远场发散角。最后,我们总结了本文中的主要工作,并对未来的研究方向进行了展望。
杨婧翾[2]（2021）在《模分复用系统中轨道角动量模式传输理论分析与应用研究》文中研究表明现如今,随着信息互联网络技术创新开展的如火如荼,人工智能、高清视频、网络直播等新应用方式引发大众的广泛关注,高速移动通信互连网络的推广,信息化社会的飞速发展,光通信技术也在不断的革新,人们对通信信息容量的不断需求,网络容量的局限性越来越明显,基于轨道角动量（OAM）模式的模分复用（MDM）技术作为一种新的复用形式,为扩大信道容量、提升通信质量提供了一种新的方案。MDM系统应用的关键问题是不同通信链路对OAM模式产生的影响,包括以光纤为代表的有线信道及以自由空间为代表的无线信道,因此,需要深入研究OAM模式的传输特性。针对以上存在的问题,本论文围绕MDM通信系统中的关键技术这一主题,主要进行了两个方面的研究,一是光纤通信系统中OAM模式传输特性,深入剖析外部扰动产生的物理机理,建立了一套相对完善的处理OAM光纤应力应变及扭转效应的理论计算及仿真分析模型。并在此基础上,提出了一种新型光子晶体OAM光纤模式选择耦合器的设计方案。另一个是针对自由空间通信系统,建立了OAM涡旋电磁波空间传输模型,提出了一种自适应补偿算法用于缓解空间信道中湍流效应的影响。本论文的主要研究工作如下:（1）OAM光纤应力应变及扭转特性研究研究了 OAM光纤在应力应变和扭转效应等外部扰动下的传输特性。建立了复杂结构OAM光纤应力双折射数学理论分析模型,并以一种性能良好的环形光子晶体OAM光纤为例建立仿真分析模型,最后分析了该光纤在实际应力作用下的模场质量和传输特性,主要包括:强度、相位、偏振、限制损耗、色散、非线性系数及应力双折射等。另外,在光纤应力特性理论分析基础上,建立了复杂结构OAM光纤扭转效应理论分析模型,分析了不同强度扭转效应下,扭转OAM光纤中的模式基组成,建立了扭转OAM光纤仿真分析模型,最后分析了该扭转OAM光纤的模式组成和传输特性,并与理论计算结果进行对比分析。（2）光子晶体OAM光纤模式选择耦合器设计设计了一种新型双平行结构的光子晶体OAM光纤模式选择耦合器。首先研究了双平行结构光纤耦合器工作原理,利用模式匹配法实现矢量OAM模式的转换,设计方案中以一种高性能光子晶体OAM光纤作为基底通过侧边研磨法制作全光纤型耦合器。其次,针对耦合器的可调参数光纤间距和耦合长度进行结构参数优化设计,获得最优的模式纯度和耦合效率。最后,对该光子晶体OAM光纤模式选择耦合器性能指标进行分析,主要包括:模式纯度、耦合效率、损耗特性和工作带宽等。在C+L波段内,该耦合器可以激发三阶OAM模式,模式纯度达到52%,耦合效率可达51%,插入损耗大于-1.73dB,附加损耗小于0.175dB。（3）OAM模式空间传输特性研究根据大气湍流效应的实际情况,基于联合大气湍流模型,建立了自由空间无线通信信道中OAM电磁涡旋波传输理论模型。针对湍流信道扰动造成的波前畸变和信号串扰,提出了一种自适应补偿算法,用以缓解大气湍流效应产生的影响,实现湍流信道中传输OAM模式波前扰动的有效恢复。并且,给出了自适应补偿前后单一OAM模式和多个OAM模式复用传输的模场质量和传输性能。最后,研究了自适应补偿后,自由空间无线通信系统中的重要性能参数的变化,包括:信噪比和信道容量等,用以验证该补偿方案的有效性及可行性。
张艺赢[3]（2021）在《短距离模分复用通信系统中新型少模光纤研究》文中进行了进一步梳理近年来,随着大数据、云计算、虚拟现实等新兴业务的快速发展,短距离光纤通信的容量负荷也在逐年上升,采用模分复用技术提升传输容量是有潜力的解决方案。在短距离模分复用系统中,为解决模式耦合导致的模式信道串扰问题,多于接收端采用多入多出数字信号处理进行均衡,这一方式会使得系统复杂度上升,成本难以负担。因此,产生了应用弱耦合少模光纤以简化或去除接收端复杂均衡模块的方案,该方案能在保证系统容量的同时降低系统成本。弱耦合少模光纤已成为短距离模分复用系统的核心组成部分。目前应用于模分复用系统的光纤存在模式信道数较少、传输距离较近、模间耦合较强等缺陷。针对以上问题,本论文对用于短距离模分复用系统的新型少模光纤进行了研究,分别提出了具有弱耦合、低弯曲损耗、大模场有效面积等多种优势的新型全反射型及光子带隙型少模光纤,能够有效提升系统传输容量、降低模式信道串扰,从而保证短距离传输的稳定性,降低系统复杂度。本文的主要工作如下:一、全反射型弱耦合少模光纤研究对弱耦合的全反射型少模光纤进行了研究,针对其模式间耦合较大、支持模式数较少,非线性抑制不够理想的问题,设计优化了支持4模式传输的弱耦合阶跃型圆芯少模光纤,该光纤可工作在C波段1550 nm附近,模场有效面积可以达到180 μm2以上,相邻传播模式间最小有效折射率差（Mode Effective Index Difference,Δneff）≈0.00055;兼顾了双包层 W 型光纤与 M 型光纤的理论优势,提出沟槽辅助M型光纤结构,并对工作在O波段,支持5模式的沟槽辅助M型光纤进行了优化。该光纤在兼顾模式数量的同时,可达到超过200m2的大模场有效面积以及较好的抗弯曲性能。该光纤能够实现模式间Δneff超过0.001的弱模式耦合,因此可简化模分复用系统中接收端的多入多出均衡模块,有效降低短距离通信系统的复杂度。二、弱耦合的色散平坦少模光子晶体光纤研究对用于短距离模分复用传输的光子带隙型光子晶体光纤进行了理论研究,利用其高双折射、可控的色度色散与极高的非线性,提出了一种色散平坦弱耦合光子晶体光纤结构,并对其进行了几何参数优化。该光纤具有最大模间Δneff超过9.0×10-3的极弱模式耦合,并可支持10个矢量模式,提升了对矢量模式的利用率。由于采用了有利于色散平坦的设计,该光纤能够达到C波段上10个模式的色散平坦,有应用于波分-模分混合复用的大容量短距离通信系统的潜力。三、弱耦合的光子带隙型少模布拉格光纤研究对弱耦合的光子带隙型布拉格光纤进行了研究,探究了一维光子晶体波导用于模分复用通信的可能性。并提出了两种支持矢量模式传输,能够有效提升模式利用率的少模布拉格光纤结构,对其光子能带和损耗性能进行了理论与数值分析:提出了能够在O+C+L宽波段工作的全固体椭圆芯布拉格光纤,该光纤能支持10个矢量模式,具有超过4×10-4的大模间Δneff、较小的束缚损耗与极低的弯曲损耗;结合同轴光纤的优势,研究并设计了弱耦合的空心同轴布拉格光纤,该光纤在C波段上的矢量模式数可提升到16个,具有极高的光纤容量与对矢量模式利用率,为一维光子晶体光纤应用于短距离模分复用传输提供了思路。四、模分复用无源光网络基础传输验证基于所设计的弱耦合阶跃型圆芯少模光纤及全光纤的模分复用/解复用器件,在无源光网络中实现了传输系统验证,并对接收端串扰来源进行了分析。在接收端测量了不同模式信道的传输功率,该系统中模式耦合导致的接收端模式串扰小于13dB;对误码率及眼图进行了测量,经过12 km的少模传输后,LP01、LP11、LP21三种模式的接收机灵敏度分别为-30.1 dBm、-28.8 dBm、-27.9 dBm左右。由于应用了弱耦合光纤,该系统中可以去除接收端多入多出均衡模块,为弱耦合光纤在短距离传输中提供了可行性。
薛欣妹[4]（2021）在《基于多平面光转换的光束控制理论研究》文中指出多平面光转换（MPLC）在光束控制领域中应用极为广泛,在模式复用、空间光通信、激光焦点控制、量子通信等方面均可以看到多平面光转换技术的身影。本文开展了基于多平面光转换的光纤模式复用解复用技术的理论与关键技术的研究,论文主要研究内容和创新工作如下:1、实现了基于波前匹配算法的模式复用MPLC,研究了传统三角排布的HG模式复用MPLC的耦合效率,通过仿真证明了不同模式之间耦合效率的锋状差异与目标模式的相关模式数量有关。提出基于增大相关模式数量的HG模式复用MPLC的改进型排布方式,相对于传统三角排布方式,将模式依赖损耗从-1.21dB提升到-0.4dB。2、研究了 HG模式复用MPLC系统中的重要参数,包括像素大小、相位板间距、输入光斑束腰直径、输入排布等参数对插入损耗和模式依赖损耗的影响,并对上述参数进行了优化。3、提出并仿真验证了一种基于MPLC的光束加密方法,实现加密转换和加密复用功能,经过合理的参数设置后,MPLC能够达到较高性能,插入损耗达到-0.5dB以上,模式依赖损耗达到-0.15dB以上,对MPLC加密系统的波长误差敏感度以及板间距误差敏感度进行了研究,系统在波长1549.5nm-1550.5nm范围内以及板间距24.99mm-25.01mm范围内性能表现稳定。
刘大建[5]（2021）在《高性能硅光滤波器及其应用研究》文中进行了进一步梳理当前,新一轮科技革命和产业变革在全球持续深入发展,各领域对网络的依赖不断增强,作为其核心支撑的光通信系统、数据中心面临重大挑战。硅基光电子芯片凭借其CMOS兼容、低成本、小尺寸等独特优势,而备受关注。硅光滤波器是其最重要的元件之一,作为关键器件在波分复用和光谱传感等领域被广泛应用。本文围绕高性能硅光滤波器及其应用为主题开展研究。本文首先介绍了集成光学的发展、硅光的优势及其在光通信、光传感等领域的典型应用。之后,本文概述了硅光滤波器的研究现状和发展需求,并对片上硅波导单元器件的仿真设计和测试流程及装置做了简要介绍。其次,本文针对如何获得超大自由频谱范围（FSR）的微环（MRR）滤波器做了深入研究。首先,本文提出了基于多模弯曲波导和弯曲耦合结构的单环滤波器,引入多模弯曲波导以降低弯曲损耗,并优化弯曲耦合结构以调控模式,实现的亚微米尺寸微环滤波器FSR高达93nm,是迄今为止报道的最大值。在此基础上,还进一步提出了基于高阶绝热渐变椭圆环（AEM）的高阶环滤波器,通过引入宽度和曲率均绝热渐变的椭圆环以实现超紧凑微腔,引入弯曲耦合结构以获得所需耦合,实验表明该高阶环滤波器FSR达37nm,为目前报道的高阶MRR的最大纪录。第三,基于多模波导光栅（MWG）,本文研制了两种新型硅光滤波器。首先,针对新通信窗口、重要传感波段—2μm波段,本文首次提出并实现了基于MWG的插分型滤波器,验证的2μm硅光滤波器具有低损耗（～1dB）、高边模抑制比（>20dB）、带宽灵活可调（6～26nm）等优异性能。另外,还提出了一种基于双光栅的偏振不敏感滤波器,该滤波器由一个双偏振模式解复用器和双光栅（包括三角形MWG和矩形MWG）组成,通过巧妙的结构设计和偏振调控以实现偏振不敏感特性,并引入特殊的三角形MWG以减少反射并抑制FP共振,实现了带宽～10nm、FSR不限的偏振不敏感滤波器。第四,基于级联MWG结构,通过调控各MWG光谱特性,本文研制了多种多通道波分复用器,包括四通道粗波分复用器（CWDM）、单纤三向复用器（Triplexer）和单纤四向复用器（Quadplexer）。利用MWG滤波器光谱调控的极高灵活性和扩展性,实现了各类复用器波长、带宽各异的要求;采用切趾技术以降低串扰,并引入了渐变光栅和弯曲波导来抑制FP共振以进一步降低串扰。实验结果表明,各复用器均获得了低损耗、低串扰和平坦响应的高性能特性,且均符合国际标准要求。特别地,对于Quadplexer稀疏的通道波长和不均匀的带宽要求,在其它波导结构滤波器难以实现的情况下,本文多波长、多通道协同设计优化了 MWG的结构及光谱特性,首次在片上实现了高性能Quadplexer。总而言之,在高性能硅光滤波器及其应用方面,本文对基于MRR和MWG的滤波器做了深入且系统的研究,并成功研制了多种高性能的硅光滤波器,为今后大规模的硅光链路系统的集成提供了重要的基石。
张梦若[6]（2021）在《应用于模分复用系统的铌酸锂光波导器件研究》文中研究说明过去十几年来,用户对带宽的需求一直呈指数级增长,在未来很长的时间里,这种增长趋势会一直保持。作为电信基础设施的骨干技术,光纤通信技术的进步支撑着互联网和移动互联网业务的发展,但受限于熔融光纤的非线性效应,单模光纤传输容量的理论极限大约为100 Tb/s,近几年的实验结果表明,以单模光纤为传输媒介的通信系统的传输容量,已经越来越接近其理论极限,即将面临“带宽瓶颈”。在这种背景下,空分复用技术作为突破“带宽瓶颈”的重要技术方案之一,成为业内的研究热点。模分复用技术,通过开发空间模式作为独立的信道来传输光信号,是空分复用系统的重要组成部分,模分复用技术具有传输信息的成本低和能耗低等方面的优势,近十几年来,模分复用技术不断地发展进步,日趋成熟,以少模光纤或多芯-少模光纤为传输媒介的超大容量、长距离的模分复用光纤通信实验系统已经被报道验证。在已报道的模分复用光纤通信实验系统中,绝大多数只实现了无源的点到点通信,实际应用的光纤通信以光网络的形式呈现,未来的智能光网络应具有动态的可重构特性,应具备信道的开关路由和分插复用等功能,以方便网络的管理者进行信息管理和资源分配。为满足智能光网络的发展需求,需要发展可重构的模分复用光网络,需要开发具有可重构特性的光器件来实现不同模式信道的开关路由和分插复用,目前已报道的相关器件绝大多数为微机电型器件或热光型器件,这两种器件的响应速率为毫秒或微秒量级,速率较慢,相比之下,电光型器件的响应速率可达纳秒甚至皮秒量级,具备高速的优势,目前已报道的应用于可重构模分复用光网络的电光型器件较少,功能也不全面,因此开展相关研究以满足高速可重构模分复用光网络的发展需求具有重要意义。铌酸锂是一种成熟的电光材料,其物理和化学性质稳定、电光系数大、光吸收损耗低,基于铌酸锂材料的电光型器件的功耗较小,基于传统的钛扩散或退火质子交换工艺（APE）制作的铌酸锂光波导高速电光调制器、高速电光开关等器件已经获得非常成熟的商业应用。近年来,铌酸锂薄膜平台吸引了广泛的关注,铌酸锂薄膜光波导的芯层和包层之间的折射率差较大,光波导对光信号的束缚强,弯曲损耗小,可以实现高密度的单元器件集成,同时由于铌酸锂薄膜光波导的尺寸较小,可以设计间距较小的调制电极,电极施加的调制电场强度大,电光调制效率高,器件的驱动电压较小,已报道的铌酸锂薄膜光波导高速电光调制器、谐波频率转换器等器件,其性能参数相比传统的钛扩散或APE工艺制作的铌酸锂光波导器件具有极大的提升。在应用于可重构模分复用光网络的电光型器件方面,在作者进行相关研究之前,仅有一些基于APE工艺制作的铌酸锂光波导电光模式转换器被报道,这些器件只能实现模式之间的相互转换,不具备模式的开关路由、可重构分插复用等功能,以此为出发点,本论文围绕应用于可重构模分复用光网络的新型铌酸锂光波导电光型器件展开研究,在以下几个方面完成了创新性的研究工作:1.在APE工艺制作的铌酸锂光波导平台上,提出并验证了一种基于可调谐非对称定向耦合器的电光模式开关器件,实验验证了三个分立的器件,分别可以实现少模光纤中LP11a、LP11b和LP02模式的可重构分插复用,在1550纳米波长的插入损耗分别小于5.0 d B、4.0 d B和5.5 d B,模式相关性损耗分别小于0.9 d B、1.0 d B和1.5 d B,模间串扰分别小于-12.5 d B、-19.0 d B和-25.0 d B,在C波段范围内的模式耦合效率分别大于67%、40%和54%;并在此基础上,还制作了一个集成的三模电光模式开关器件,该器件能够同时实现少模光纤中LP11a和LP11b两个模式的可重构分插复用,在1550纳米波长的插入损耗小于9.0 d B,模式相关性损耗小于5.0 d B,模间串扰小于-16.0 d B,在C波段范围内的模式耦合效率超过了69%,该器件的开关响应时间为200纳秒到300纳秒,比微机电型器件或热光型器件要快出2到5个数量级;同时为了解决APE工艺容差较小的问题,提出了一项无源的后调谐技术,能够有效得补偿工艺误差造成的相位失配,提升器件的工作性能;此外还提出了一种宽带电光模式开关器件的设计方案。2.在键合工艺制作的埋入式铌酸锂光波导平台上,提出并验证了一种模斑转换器,该器件能够实现光纤模式和APE铌酸锂光波导模式之间相互转换,有效解决APE铌酸锂光波导和少模光纤之间的模式耦合问题;通过进一步将键合工艺、研磨抛光工艺和APE工艺相结合,提出了一种基于双层铌酸锂光波导垂直非对称定向耦合器的电光模式开关器件,所制作的两个垂直非对称定向耦合器分别实现了单模波导中的LP01模式和少模波导中的LP21b以及LP02模式之间的相互耦合,在C波段范围内,LP01和LP21b模式之间的耦合效率小于56%,LP01和LP02模式之间的耦合效率小于18%。3.在刻蚀工艺制作的铌酸锂薄膜光波导平台上,提出并验证了两种电光型器件,分别为基于级联马赫曾德尔干涉仪（MZI）的可重构双模模式复用器和解复用器,以及基于可调谐对称双模定向耦合器的电光模式开关,其中基于级联MZI的可重构双模模式复用器和解复用器,实现了TE11和TE21两个模式的可重构复用和解复用,在1550纳米波长的插入损耗小于14.5 d B,模式相关性损耗小于0.2 d B,模间串扰小于-16.9 d B,在C波段范围内的模式耦合效率大于98%,开关响应时间为20纳秒到30纳秒,比微机电型器件或热光型器件要快出3到6个数量级;而基于可调谐对称双模定向耦合器的电光模式开关器件,实现了TE21模式的可重构分插复用,在1550纳米波长的插入损耗小于16.6 d B,模式相关性损耗小于4.2d B,模间串扰小于-30.0 d B,在C波段范围的模式耦合效率大于65%。实验结果表明,所制作的铌酸锂薄膜光波导器件具有器件尺寸小、响应速率快、电光调制效率高、波长带宽大等方面的优势。
卫怡晖[7]（2021）在《硅基模式复用器件研究》文中研究说明当前大数据时代的通信流量不断攀升,各种智能设备和互联网服务越来越普及,电信网络、数据中心、高性能计算等场景对数据的传输容量不断提出更高的要求。作为主流的集成光学研究平台,硅基光电子平台具有CMOS兼容性、低损耗、结构紧凑等优势,可以实现各种功能光电子器件的整合,为传统微电子学的数据容量增长瓶颈提供了解决方案。在硅基平台上,研究人员正发展出多种复用技术,以充分发掘光载波的信号承载力,大大提升单个物理通道中的信道数目,进一步扩大片上光互联的传输容量。在这种背景下,模式复用作为空分复用技术的一种,近年来受到了很多关注和发展。然而关于模式复用仍有许多问题需要解决,一方面,硅基平台的高折射率差导致波导模式对尺寸的敏感性高,实现多通道、高性能、大带宽、工艺容差大的模式复用器很有难度;另一方面,关于集合多种复用技术的多维复用系统方面,相关展示有限并且通道数目仍然不够可观;另外,可以灵活路由模式通道的光网络只有有限的研究,并且网络架构通常比较复杂,功率消耗也很大。因此,本文主要针对这些需求和问题开展了一些研究工作。首先我们尝试对模式、偏振、波长三个复用维度进行整合,采用一种完善的系统架构方式,基于较为稳健的各组件设计方案,包括10通道的绝热演化耦合器的模式复用器、8通道的偏振敏感级联环滤波器,以及偏振控制器件,搭建并实现了一个80通道的多维解复用系统。实验上制作的多维解复用系统具有较低的串扰（-12dB～21dB）和损耗（1.8dB～5dB）,这是目前报道的通道数最多的多维复用系统。关于模式通道的灵活路由问题,我们在硅基平台上引入了光学相变材料,提出和设计了一种可重构分插模式复用器。系统以简单的结构和紧凑的大小,有效实现了三模式系统中模式通道的选择性上/下载,器件具有非易失特性,无需持续的功率注入,可以大大降低可重构系统的能量消耗。设计的器件性能良好,在所有通道和所有状态下,1505-1585nm共80nm带宽内,具有1dB以内的损耗和-20dB以下的串扰。这种设计为未来构建可重构多模光子回路提供了可行的思路。最后,针对模式复用器本身,为了从设计角度优化其性能稳健性,我们对常见的模式复用器结构进行了非常详细的分析,包括很少有文献报道的复用-解复用系统分析,明确了两种复用器结构的限制因素。在此基础上,我们提出了两种新型的设计结构和改进思路,一种是引入亚波长光栅结构调控模式的折射率曲线,理论上证明了,TE模式复用器可以在保持紧凑尺寸的同时,宽度误差下的损耗水平降低一个数量级;另一种改进是对于不同偏振模式采用各自的设计结构,尽量抑制双偏振模式复用器的偏振转化问题。这些分析和思路对于理解和优化模式复用器具有梳理和启发作用,对进一步将模式复用器推向实用是非常有意义的。
王依[8]（2021）在《硅基片上基模与高阶模传输特性及器件研究》文中进行了进一步梳理近年来,多模硅基光子学成为硅基片上集成领域中新兴的研究方向,其通过打破传统单模条件约束,在基模的基础上引入高阶模式构建基模-高阶模融合的光波导器件,从而一方面可以扩展模式数量以提升通信容量,另一方面通过调控高阶模式可以增加器件设计的灵活度和自由度。目前主要研究领域包括发展满足模式复用光互联系统的关键器件以及利用多模波导或高阶模式结合新型器件结构设计,从而实现性能优越、功能独特的的光子集成器件。本文在支持基模与高阶模传输的硅基片上集成器件方面进行了一系列深入的研究工作,主要设计并验证了支持基模与高阶模低损耗、低串扰传输的多模弯曲波导,设计了同时支持双偏振工作的多模弯曲波导,以及设计并验证了利用多模波导传输基模的低损耗波导结构。首先,针对在传统多模弯曲波导和直波导相接处,由于两者折射率分布不同会发生模式失配,引入模间串扰的问题,本文创新性地提出通过引入反射镜结构替换传统的弯曲结构,从而避免传统弯曲波导设计中模式失配的问题。所设计的结构满足基模与高阶模在超大带宽范围内（1260nm-1680nm）超低损耗、超低串扰传输的需求,如:对于波导宽度为7μm的结构,在1260nm到1680nm的带宽范围内,TE0和TE1模式插入损耗小于0.18dB,模间串扰小于-36dB,同时该设计极为简便、工艺容差大且极具模式数目上的扩展性。第二,针对基于模式复用和偏振复用形成的混合复用系统应用领域,本文首次提出了支持双偏振工作的多模弯曲波导,此设计基于欧拉弯曲和亚波长光栅结构,能够在1500 nm-1600 nm工作带宽内支持六个模式在其中低损耗、低串扰地传输,这六个模式彼此间的模间串扰在这100nm的带宽范围内均小于-26.5 dB,而在工作波长为1550nm处对应的模间串扰均小于-30 dB。对于同样尺寸大小（Reff=10 μm）的普通弯曲波导而言,在相同工作波段下,其模间串扰会达到-8.4 dB。第三,本文基于散射损耗随着条形硅波导宽度增大而减小的原理,提出并验证了一种支持基模低损耗传输的超紧凑硅基多模螺旋波导结构,从而实现了超低损耗硅光波导传输。在设计过程中本文通过优化波导宽度、多模螺旋波导的曲率变化情况等参数,使基模在多模螺旋波导中保持低损耗传输的同时,也不会激发出高阶模式,且整个波导结构的尺寸也十分紧凑。实验结果证明,针对芯层高度为220nm的条形硅波导,其在工作波段1525 nm到 1585 nm范围内的平均波导损耗为0.41 dB/cm,且当多模螺旋波导总长为3.33 cm时,对应的结构尺寸仅为0.42 mm ×0.42 mm。最后,总结了全文的主要工作内容,并对各项工作的后续研究进行了展望。
庄煜阳[9]（2020）在《基于光子晶体和纳米线波导的波分—模分混合复用/解复用集成器件研究》文中指出随着物联网、云计算、自动驾驶、虚拟现实等流量消耗型应用的快速兴起,通信系统对传输容量、传输速率的需求呈现爆炸式增长,因此需要强大的光纤传输网作为支撑,从而满足其超大容量、超快速率的传输要求。但传统单模光纤的容量现已逼近香农极限,将无法满足日益增长的业务需求。空分复用技术应运而生,它采用少模、多芯或是两者结合的方式增加单根光纤所能够传输的信道数,可以极大地提高系统的传输容量和频谱效率。结合波分、模分复用技术,实现波分-模分混合复用/解复用将是突破容量瓶颈的关键技术之一。近年来,硅光子技术利用其低功耗、高速率以及与CMOS工艺兼容的特性,使光子器件与电子器件的集成变为可能。受硅光子学发展的影响,硅基片上波分、模分及其混合复用/解复用器件得到了越来越多的关注,而该类器件正是新型混合复用系统的关键组成部分。但到目前为止,利用硅光子芯片实现片上波分-模分混合复用/解复用的技术仍处于研究阶段。本文首次提出基于光子晶体和纳米线波导的波分-模分混合复用/解复用器,采用具有高品质因数的光子晶体谐振腔进行波分复用/解复用,并利用纳米线波导进行模分复用/解复用,最终实现了波分和模分复用/解复用器件的片上集成。本文主要针对缩小波分-模分混合复用/解复用器的波长信道间隔、扩大其自由光谱范围、降低其插入损耗进行研究,建立了器件模型,优化了结构参数。论文的主要研究内容如下:（1）构建了微腔-波导耦合简化模型,推导了光子晶体谐振腔型波分复用/解复用器件的耦合模理论。研究了波导-波导耦合机制,提出了通过增大波导间距来抑制非对称定向耦合型模分复用/解复用器件中模式串扰的方法。（2）研究了相位关系对微腔与波导间耦合特性的影响。提出了一种二氧化硅回音壁模式环形腔与硅基光子晶体波导的侧耦合结构,通过实验和理论分析,发现模式匹配是实现微腔-波导高效耦合的前提条件。（3）为了进一步缩小硅基面内型光子晶体波分复用/解复用器件的波长信道间隔,提出了三种类型的光子晶体密集波分复用/解复用器件,分别基于一维光子晶体纳米梁腔、二维光子晶体双反射壁腔,以及二维光子晶体双色腔。利用二维时域有限差分法（2D-FDTD）和二维有限元法（2D-FEM）进行了器件设计和结构参数优化,最终仿真测得这三种类型的光子晶体波分复用/解复用器的信道间隔最小可达0.8 nm。（4）研究了光子晶体波导非对称定向耦合型模分复用/解复用器件在不连续波长处具有高插入损耗的原因,发现周期性介质微扰导致了耦合传输谱的剧烈抖动。对比了纳米线波导型模分复用/解复用器的传输特性,发现后者拥有相对平滑的耦合传输谱,因此更适用于波分-模分混合复用/解复用器件。（5）提出了基于光子晶体和纳米线波导的波分-模分混合复用/解复用集成器件。数值仿真结果表明,该类型器件不仅具有小波长信道间隔（0.8 nm）、大自由光谱范围（500 nm）以及低插入损耗（1.0 d B）的性能特点,还具有非常紧凑的结构。综上所述,本文研究了波分和模分复用/解复用器件中的耦合模理论,构建了微腔-波导耦合简化模型,提出了抑制模式串扰的方案,并探讨了模式匹配对微腔-波导耦合特性的影响。基于理论分析,设计了具有大自由光谱范围和小信道间隔的光子晶体波分复用/解复用器件,并对比研究了光子晶体波导型和纳米线波导型模分复用/解复用器件的耦合传输谱。最后提出了基于光子晶体和纳米线波导的波分-模分混合复用/解复用器件,其同时具有小波长信道间隔、大自由光谱范围和低插入损耗的性能特点。这些学术成果对高速大容量波分-模分混合复用光通信系统以及光子集成芯片的发展具有重要的意义。
王心怡[10]（2020）在《基于硅基光学延迟线的波长-模式脉冲交织器研究》文中提出硅基光电子集成芯片具有尺寸小、集成度高等优点。近年来,它们受到了学术界的广泛关注。随着各类硅基光电子分立器件性能的提高,人们越来越不满足于单一器件的功能实现,而是往大规模集成化方向发展,即把多个电子和光子分立元件集成在同一芯片上,实现复杂的功能。硅基光电子技术以其高集成度和互补金属氧化物半导体（CMOS）兼容的优势,近些年来在数据通信等领域发挥着重要作用。基于硅光技术,人们对各种类型的激光器、调制器、探测器和光开关展开了深入研究。光延迟线在光通信领域具有很好的应用前景,基于延迟线结构的脉冲复用可以提高光脉冲的重复率,从而生成高频脉冲。高频脉冲在数据通信、光子信号处理、光学模数转换等领域中起着重要作用。本文对基于光延迟线结构的片上集成光子器件进行了研究。利用多种光脉冲交织复用方式,实现了脉冲重复率的提升,可用于对微波信号的高速光采样。首先,论文介绍了延迟线芯片的基本概念和参数指标,并讨论了其具体结构和实现方案。从延迟调节范围、调节精度、传输损耗、功耗和芯片尺寸等角度出发,阐明了延迟线的结构特征,为下文各种脉冲交织器的实现提供理论依据。接着,论文从脉冲复用方式入手,分别研究了波分复用（WDM）和模分复用（MDM）的几个关键器件,并介绍了各种器件结构的工作原理和设计方案。对于MDM器件,本文分析了波导中支持的多种模式,并对波导耦合生成的高阶模式进行了仿真分析。本文还对波长-模式交织器所用到的分立器件和整个系统进行了仿真,证明了波长-模式交织方案的可行性。接着,为了实现脉冲的时分复用,本文提出了一种连续可调的延迟线,该延迟线结合了环形谐振器和马赫-增德尔干涉仪（MZI）开关阵列。开关阵列提供大范围数字式延迟调节,而微环则提供小范围延迟微调。开关采用MZI级联结构,提高了开关消光比。延迟线芯片在60 nm厚的硅波导平台上实现,平均波导损耗为0.35 d B/cm。最大延迟调节范围为1.28 ns,片上插入损耗为12.4 d B,包括由测试端口引起的损耗。在不同延迟时间下,30 Gbps开关键控（OOK）信号通过延迟线芯片传输具有较高的信号保真度。该光学延迟线芯片具有可重构性,可以用于调整脉冲序列。光脉冲多路复用基于延迟线芯片实现,开关被设置为均匀分光比。这样的光时分复用（OTDM）方案可用于产生高重复率脉冲串,可应用于光学采样。调整开关分光比和可调光衰减器（VOA）的衰减值提供不同的脉冲幅度时,可实现准任意波形生成（QAWG）。基于延迟线芯片实现OTDM和QAWG,证明了该芯片的灵活性和可重构性,能作为可编程光信号处理器使用。本文还对如何进一步提升延迟线芯片性能进行了讨论。随后,本文提出并实现了一个基于硅光集成平台的8通道波长-模式光脉冲交织器。波长和模式复用技术相结合,可以提高脉冲的重复率,而同时又不会增加单维度复用的复杂性。交织器使用级联MZI结构作为波分复用（解复用）器,将非对称定向耦合器用作模式复用（解复用）器,并将各种长度的硅波导用作延迟线。论文对交织器各个分立器件参数（如波导损耗、延迟误差和通道带宽等）对交织脉冲的损耗、延迟间隔、峰值能量、脉冲宽度和串扰等一系列指标影响进行了研究,为交织器的实现奠定了基础。实验验证了脉冲序列具有125 ps的时间间隔,延迟误差为3.2%。然后,本文在波长-模式交织器的基础上,将脉冲幅度调节和高速采样功能纳入,构成了一个硅光集成的光学采样系统。高重复率光学采样脉冲是通过将低重复率输入光脉冲与WDM和MDM相结合而获得的。WDM脉冲交织器由具有线性差分延迟的反馈型阵列波导光栅（AWG）构成。它可以实现自动波长对准,且结构紧凑、色散大、损耗低。交织脉冲的幅度可以通过反馈波导中的衰减器进行调节。多模波导中的两个高阶模用来进一步提高脉冲重复率。光学采样脉冲被多模MZI调制器调制,调制器两臂集成了“L型”PN结,提高了调制效率。采样后的脉冲由模式和波长解复用器分开,后端再做并行处理。多模调制器可以实现30 Gb/s OOK调制。多波长脉冲使用由双环耦合马赫-增德尔干涉仪（DR-MZI）构成的WDM滤波器分离,该结构具有较高的消光比。模分复用脉冲交织和分离是由非对称定向耦合器构成的模式复用（解复用）器完成。由于同时使用了波长和模式复用技术,因此脉冲重复率可以大幅提高。在实现的集成芯片中,脉冲重复率提高了8倍,这受限于后端WDM滤波器的数量。所有功能模块,包括高速调制器、偏振分束器、旋转器、延迟线以及WDM和MDM器件,都集成到了单个硅光集成芯片中,充分利用了硅光的集成能力。高速采样芯片的成功研制为在单片上实现模数转换提供了基础。论文最后对研究课题做出了总结,针对硅基脉冲交织器提出了未来研究工作展望。
二、设计模式复用支持系统的设计实现（论文开题报告）
（1）论文研究背景及目的
此处内容要求：
首先简单简介论文所研究问题的基本概念和背景，再而简单明了地指出论文所要研究解决的具体问题，并提出你的论文准备的观点或解决方法。
写法范例：
本文主要提出一款精简64位RISC处理器存储管理单元结构并详细分析其设计过程。在该MMU结构中,TLB采用叁个分离的TLB,TLB采用基于内容查找的相联存储器并行查找,支持粗粒度为64KB和细粒度为4KB两种页面大小,采用多级分层页表结构映射地址空间,并详细论述了四级页表转换过程,TLB结构组织等。该MMU结构将作为该处理器存储系统实现的一个重要组成部分。
（2）本文研究方法
调查法：该方法是有目的、有系统的搜集有关研究对象的具体信息。
观察法：用自己的感官和辅助工具直接观察研究对象从而得到有关信息。
实验法：通过主支变革、控制研究对象来发现与确认事物间的因果关系。
文献研究法：通过调查文献来获得资料，从而全面的、正确的了解掌握研究方法。
实证研究法：依据现有的科学理论和实践的需要提出设计。
定性分析法：对研究对象进行“质”的方面的研究，这个方法需要计算的数据较少。
定量分析法：通过具体的数字，使人们对研究对象的认识进一步精确化。
跨学科研究法：运用多学科的理论、方法和成果从整体上对某一课题进行研究。
功能分析法：这是社会科学用来分析社会现象的一种方法，从某一功能出发研究多个方面的影响。
模拟法：通过创设一个与原型相似的模型来间接研究原型某种特性的一种形容方法。
三、设计模式复用支持系统的设计实现（论文提纲范文）
（1）面向多维复用的硅基亚波长结构集成光子器件研究（论文提纲范文）
| 致谢 |
| 摘要 |
| Abstract |
| 缩写和符号清单 |
| 1 绪论 |
| 1.1 硅基集成光子学概述 |
| 1.2 光互联中的多维复用 |
| 1.2.1 波分复用技术概述 |
| 1.2.2 偏振复用技术概述 |
| 1.2.3 模式复用技术概述 |
| 1.2.4 空间多维光通信技术概述 |
| 1.3 硅基亚波长结构集成光子器件的产生与发展 |
| 1.4 本文内容和创新点 |
| 2 硅基纳米波导与硅基亚波长结构的特性分析与数值仿真方法 |
| 2.1 硅基纳米波导的特性分析 |
| 2.1.1 基于有限差分频域方法的模式特性分析 |
| 2.1.2 基于有限差分时域方法的传输特性分析 |
| 2.2 硅基亚波长结构的特性分析 |
| 2.2.1 基于等效介质理论的折射率特性分析 |
| 2.2.2 基于平面波展开方法的能带特性分析 |
| 2.3 本章小结 |
| 3 硅基集成光子器件的制作与测试 |
| 3.1 硅基集成光子器件的制作流程 |
| 3.2 基于光栅耦合器的垂直耦合测试系统 |
| 3.3 本章小结 |
| 4 基于各向异性调控与色散调控的硅基偏振维度相关器件 |
| 4.1 基于亚波长光栅异质结的超宽带硅基偏振分束器 |
| 4.1.1 超宽带硅基偏振分束器设计 |
| 4.1.2 器件制作与性能测试 |
| 4.1.3 各类硅基偏振分束器的性能对比 |
| 4.2 基于亚波长光栅/弯曲波导混合结构的超宽带硅基起偏器 |
| 4.2.1 超宽带硅基起偏器设计 |
| 4.2.2 器件制作与性能测试 |
| 4.2.3 各类硅基起偏器的性能对比 |
| 4.3 基于亚波长光栅/缺角波导混合结构的超宽带硅基偏振旋转器 |
| 4.3.1 超宽带硅基偏振旋转器设计 |
| 4.3.2 各类硅基偏振旋转器的性能对比 |
| 4.4 本章小结 |
| 5 基于等效介质折射率调控的硅基模式维度相关器件 |
| 5.1 基于浙变折射率模式转换器的硅基多模波导弯曲结构 |
| 5.1.1 多模弯曲传输中的模间串扰问题 |
| 5.1.2 硅基多模波导弯曲结构设计 |
| 5.1.3 低串扰弯曲结构连接的4通道模式复用系统测试 |
| 5.1.4 各类硅基多模波导弯曲结构的性能对比 |
| 5.2 基于Maxwell鱼眼透镜的硅基多模波导交叉结构 |
| 5.2.1 多模交叉传输中的模式相关损耗问题 |
| 5.2.2 硅基多模波导交叉结构设计 |
| 5.2.3 低损耗交叉结构连接的2通道模式复用系统测试 |
| 5.2.4 各类硅基多模波导交叉结构的性能对比 |
| 5.3 基于等效介质薄膜分束镜的硅基多模波导功分器 |
| 5.3.1 多模分束传输中的模间串扰问题 |
| 5.3.2 硅基多模波导功分器设计 |
| 5.3.3 各类硅基多模波导功分器的性能对比 |
| 5.4 本章小结 |
| 6 基于连续区束缚态的硅基超光栅 |
| 6.1 连续区束缚态简介 |
| 6.2 面向波长维度调控的硅基超光栅滤波器 |
| 6.2.1 硅基超光栅滤波器设计 |
| 6.2.2 器件制作与性能测试 |
| 6.2.3 各类硅基光学滤波器的性能对比 |
| 6.3 面向空间多维光通信的硅基超光栅光学天线 |
| 6.3.1 硅基超光栅光学天线设计 |
| 6.3.2 器件制作与性能测试 |
| 6.3.3 各类硅基光栅天线的性能对比 |
| 6.4 本章小结 |
| 7 总结与展望 |
| 参考文献 |
| 作者简历 |
| 作者在学期间取得的科研成果 |
（2）模分复用系统中轨道角动量模式传输理论分析与应用研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| ABSTRACT |
| 第一章 绪论 |
| 1.1 光通信的研究现状与发展趋势 |
| 1.2 OAM光纤通信研究进展 |
| 1.2.1 OAM光纤及光纤特性研究进展 |
| 1.2.2 OAM光纤耦合器研究进展 |
| 1.3 OAM空间通信研究进展 |
| 1.3.1 OAM空间光通信研究现状 |
| 1.3.2 OAM空间无线通信研究现状 |
| 1.4 论文研究内容与创新点 |
| 1.5 论文结构安排 |
| 参考文献 |
| 第二章 基于OAM模式通信的基础理论 |
| 2.1 OAM模式基本理论 |
| 2.1.1 矢量亥姆霍兹方程 |
| 2.1.2 矢量OAM模式求解 |
| 2.2 矢量模式耦合器原理及数值分析方法 |
| 2.2.1 双平行光纤耦合器原理 |
| 2.2.2 数值分析方法 |
| 2.3 自由空间信道基本理论 |
| 2.3.1 大气湍流理论 |
| 2.3.2 大气湍流谱模型 |
| 2.4 本章小结 |
| 参考文献 |
| 第三章 OAM光纤应变特性研究 |
| 3.1 OAM光纤应变特性研究背景 |
| 3.2 环形光子晶体OAM光纤应力特性 |
| 3.2.1 理论分析模型 |
| 3.2.2 光子晶体OAM光纤仿真分析模型 |
| 3.2.3 光子晶体OAM光纤应力特性分析 |
| 3.2.4 小结 |
| 3.3 环形光子晶体OAM光纤扭转特性 |
| 3.3.1 理论分析模型 |
| 3.3.2 光子晶体OAM光纤仿真分析模型 |
| 3.3.3 光子晶体OAM光纤扭转特性分析 |
| 3.3.4 小结 |
| 3.4 本章小结 |
| 参考文献 |
| 第四章 光子晶体OAM光纤模式选择耦合器设计 |
| 4.1 光子晶体OAM光纤耦合器研究背景 |
| 4.2 光子晶体OAM光纤模式选择耦合器结构设计 |
| 4.2.1 OAM模式耦合器结构与设计原理 |
| 4.2.2 OAM模式耦合器参数设计与优化 |
| 4.3 光子晶体OAM光纤模式选择耦合器特性分析 |
| 4.4 本章小结 |
| 参考文献 |
| 第五章 OAM模式空间传输特性研究 |
| 5.1 无线通信中OAM模式传输特性研究背景 |
| 5.2 自由空间无线通信信道建模 |
| 5.3 无线通信信道自适应补偿算法 |
| 5.4 OAM模式空间传输特性 |
| 5.4.1 单一OAM模式传输特性 |
| 5.4.2 复用OAM模式传输特性 |
| 5.5 本章小结 |
| 参考文献 |
| 第六章 总结与展望 |
| 6.1 工作总结 |
| 6.2 未来展望 |
| 缩略词对照表 |
| 致谢 |
| 攻读学位期间发表的学术论文目录 |
（3）短距离模分复用通信系统中新型少模光纤研究（论文提纲范文）
| 致谢 |
| 摘要 |
| Abstract |
| 1 绪论 |
| 1.1 引言 |
| 1.2 研究背景及研究意义 |
| 1.2.1 模分复用传输系统及其研究现状 |
| 1.2.2 短距离传输模分复用系统及其研究现状 |
| 1.2.3 弱耦合少模光纤及其研究现状 |
| 1.3 本论文的内容安排及创新点 |
| 2 弱耦合少模光纤研究理论基础 |
| 2.1 引言 |
| 2.2 全反射型少模光纤传输理论 |
| 2.2.1 均匀圆波导的基本方程 |
| 2.2.2 光纤中的矢量与标量模式 |
| 2.2.3 有限元法 |
| 2.3 二维光子晶体光纤传输理论 |
| 2.3.1 平面波展开法 |
| 2.3.2 等效折射率法 |
| 2.4 一维光子带隙型布拉格光纤传输理论 |
| 2.4.1 传输矩阵法 |
| 2.4.2 渐近矩阵法 |
| 2.5 少模光纤特性参数研究 |
| 2.5.1 少模光纤的模式耦合 |
| 2.5.2 少模光纤的模场有效面积 |
| 2.5.3 少模光纤的差分模式时延 |
| 2.5.4 光纤弯曲损耗 |
| 2.6 本章小结 |
| 3 全反射型弱耦合少模光纤研究 |
| 3.1 引言 |
| 3.2 弱耦合阶跃型圆芯少模光纤研究 |
| 3.3 弱耦合沟槽辅助M型少模光纤研究 |
| 3.3.1 弱耦合沟槽辅助M型少模光纤结构 |
| 3.3.2 光纤参数对弱耦合性能的影响 |
| 3.3.3 光纤参数对模式特性的影响 |
| 3.4 本章小结 |
| 4 弱耦合的色散平坦少模光子晶体光纤研究 |
| 4.1 引言 |
| 4.2 色散平坦的少模光子晶体光纤研究 |
| 4.2.1 色散平坦的少模光子晶体光纤结构 |
| 4.2.2 光纤参数对弱耦合性能的影响 |
| 4.2.3 光纤参数对色散平坦性能的影响 |
| 4.3 本章小结 |
| 5 弱耦合的光子带隙型少模布拉格光纤研究 |
| 5.1 引言 |
| 5.2 全固态椭圆芯少模布拉格光纤研究 |
| 5.2.1 全固态椭圆芯少模布拉格光纤结构 |
| 5.2.2 光纤参数对弱耦合性能及束缚损耗的影响 |
| 5.2.3 光纤参数对模式特性的影响 |
| 5.3 同轴空心少模布拉格光纤研究 |
| 5.3.1 同轴空心少模布拉格光纤结构 |
| 5.3.2 光纤参数对弱耦合性能的影响 |
| 5.3.3 光纤参数对模式特性的影响 |
| 5.4 本章小结 |
| 6 模分复用无源光网络基础传输验证 |
| 6.1 引言 |
| 6.2 模分复用无源光网络实验架构 |
| 6.2.1 少模光纤设计及模式复用/解复用器 |
| 6.2.2 模分复用无源光网络结构 |
| 6.3 模分复用无源光网络传输性能分析 |
| 6.4 本章小结 |
| 7 结论 |
| 7.1 本文工作总结 |
| 7.2 未来工作展望 |
| 参考文献 |
| 作者简历及在学研究成果 |
| 学位论文数据集 |
（4）基于多平面光转换的光束控制理论研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| ABSTRACT |
| 第一章 绪论 |
| 1.1 研究背景 |
| 1.2 模分复用系统以及光束控制技术研究现状 |
| 1.2.1 模分复用系统介绍 |
| 1.2.2 模分复用系统中的光束模式控制技术研究现状 |
| 1.2.3 光束模式控制器件简介 |
| 1.3 多平面光转换技术的研究现状和发展前景 |
| 1.4 主要内容与论文结构 |
| 1.4.1 主要内容 |
| 1.4.2 论文结构 |
| 第二章 光束传播和多平面光转换技术的理论基础 |
| 2.1 空间模式理论模型 |
| 2.1.1 HG模式 |
| 2.1.2 LP模式 |
| 2.1.3 LG模式 |
| 2.1.4 OAM模式 |
| 2.2 空间光束传播理论 |
| 2.2.1 角谱传输理论 |
| 2.2.2 菲涅尔衍射 |
| 2.3 多平面光转换技术原理 |
| 2.3.1 多平面光转换技术 |
| 2.3.2 波前匹配算法 |
| 2.3.3 MPLC系统性能参数 |
| 2.4 本章小结 |
| 第三章 基于MPLC的大容量HG模式复用理论与方法研究 |
| 3.1 HG模式三角排布方案提升耦合效率的原理 |
| 3.2 基于MPLC的三角排布方式的HG模式大容量复用性能探索 |
| 3.2.1 基于MPLC的三角排布方式的大容量HG模式复用性能 |
| 3.2.2 减少目标模式的相关模式对MPLC的性能影响 |
| 3.2.3 增加目标模式的相关模式对MPLC的性能影响 |
| 3.3 适用于大容量HG模式复用的输入排布改进方案 |
| 3.3.1 非连续HG高阶模式复用MPLC系统的输入排布改进方案 |
| 3.3.2 连续HG模式复用MPLC系统的输入排布改进方案 |
| 3.4 本章小结 |
| 第四章 基于MPLC的HG模式复用系统参数优化 |
| 4.1 MPLC的系统设计 |
| 4.1.1 模式复用功能及性能评价指标 |
| 4.1.2 MPLC系统参数和研究对象 |
| 4.2 板间距对MPLC性能的影响效果 |
| 4.2.1 板间距与光斑大小对MPLC性能的影响研究 |
| 4.2.2 板间距和排布间距对MPLC性能的影响研究 |
| 4.3 精度与输入排布对MPLC系统性能的影响 |
| 4.4 本章小结 |
| 第五章 基于MPLC的保持光斑正交性的光斑加密技术研究 |
| 5.1 加密光斑的复用传输系统 |
| 5.1.1 传统复用传输系统介绍 |
| 5.1.2 加密光斑复用传输系统介绍 |
| 5.2 保持光斑正交性的光斑加密原理 |
| 5.2.1 光斑加密过程和加密光斑正交性的数学证明 |
| 5.2.2 解密过程和加密光斑可逆性的数学证明 |
| 5.2.3 加密光斑的获取和性质验证 |
| 5.3 MPLC在加密中的应用 |
| 5.3.1 MPLC实现加密功能的应用仿真与性能研究 |
| 5.3.2 MPLC实现复用加密功能的应用仿真与性能研究 |
| 5.4 本章小结 |
| 第六章 论文总结与展望 |
| 6.1 工作总结 |
| 6.2 工作展望 |
| 参考文献 |
| 致谢 |
| 攻读学位期间发表的学术论文目录 |
（5）高性能硅光滤波器及其应用研究（论文提纲范文）
| 致谢 |
| 摘要 |
| Abstract |
| 1 绪论 |
| 1.1 硅基光电子学 |
| 1.2 硅光滤波器概述 |
| 1.2.1 基于马赫-曾德干涉仪的硅光滤波器 |
| 1.2.2 基于微环谐振器的硅光滤波器 |
| 1.2.3 基于波导布拉格光栅的硅光滤波器 |
| 1.2.4 基于阵列波导光栅的硅光滤波器 |
| 1.2.5 总结 |
| 1.3 本论文主要内容及创新点 |
| 1.3.1 主要内容 |
| 1.3.2 主要创新点 |
| 2 硅基集成光电子器件的理论仿真、制备和测试 |
| 2.1 硅波导光学仿真 |
| 2.1.1 硅波导模式理论 |
| 2.1.2 硅波导模式计算 |
| 2.1.3 硅波导的光场传输计算 |
| 2.2 硅基光电子器件的制备 |
| 2.3 硅基光电子器件的测试 |
| 2.4 本章小结 |
| 3 基于微环谐振器的硅光滤波器 |
| 3.1 微环谐振器的基本原理 |
| 3.1.1 全通型微环谐振器 |
| 3.1.2 插分型微环谐振器 |
| 3.2 具有超大自由频谱范围的插分型单环滤波器 |
| 3.2.1 结构和设计 |
| 3.2.2 制备和测试 |
| 3.2.3 结果和分析 |
| 3.3 具有超大自由频谱范围的平顶型高阶环滤波器 |
| 3.3.1 结构和设计 |
| 3.3.2 制作和测试 |
| 3.3.3 结果和分析 |
| 3.4 本章小结 |
| 4 基于波导布拉格光栅的硅光滤波器 |
| 4.1 波导布拉格光栅滤波器的基本原理 |
| 4.2 2 μm波段的硅基多模波导光栅滤波器 |
| 4.2.1 结构和设计 |
| 4.2.2 制备和测试 |
| 4.2.3 结果和分析 |
| 4.3 基于双光栅的偏振不敏感光学滤波器 |
| 4.3.1 结构和设计 |
| 4.3.2 制备和测试 |
| 4.4 本章小结 |
| 5 基于级联多模波导光栅的多通道波分复用器 |
| 5.1 面向短距通信的四通道粗波分复用器 |
| 5.1.1 结构和设计 |
| 5.1.2 加工和测试 |
| 5.1.3 结果和分析 |
| 5.2 面向无源光网络的硅基单纤三向复用器 |
| 5.2.1 结构和设计 |
| 5.2.2 制作和测试 |
| 5.2.3 结果和分析 |
| 5.3 面向无源光网络融合升级的硅基单纤四向复用器 |
| 5.3.1 结构和设计 |
| 5.3.2 制备和测试 |
| 5.3.3 结果和分析 |
| 5.3.4 总结和讨论 |
| 5.4 本章小结 |
| 6 总结与展望 |
| 6.1 总结 |
| 6.2 展望 |
| 参考文献 |
| 作者简介 |
| 作者在学期间所取得的科研成果 |
（6）应用于模分复用系统的铌酸锂光波导器件研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| abstract |
| 第一章 绪论 |
| 1.1 研究工作的背景与意义 |
| 1.2 无源模式复用器/解复用器的研究现状 |
| 1.2.1 块状光学模式复用器/解复用器 |
| 1.2.2 光纤模式复用器/解复用器 |
| 1.2.3 集成光波导模式复用器/解复用器 |
| 1.3 可重构MDM光网络的研究现状 |
| 1.4 电光有源模式调控器件 |
| 1.5 论文的工作内容和章节安排 |
| 第二章 理论分析和制作工艺 |
| 2.1 铌酸锂光波导 |
| 2.1.1 退火质子交换工艺 |
| 2.1.2 折射率分布的函数表征 |
| 2.2 LNOI光波导 |
| 2.2.1 制作工艺 |
| 2.2.2 LNOI薄膜光波导的表征 |
| 2.3 2×2 定向耦合器结构 |
| 2.4 LN晶体的色散和电光系数的波长依赖关系 |
| 2.5 电光调制效率 |
| 2.6 本章小结 |
| 第三章 基于APE-LN光波导非对称定向耦合器的电光模式开关器件研究 |
| 3.1 三维LN光波导结构 |
| 3.2 APE-LN光波导3D-ADC |
| 3.3 电光模式开关 |
| 3.3.1 相位匹配条件 |
| 3.3.2 无源后调谐技术 |
| 3.3.3 仿真分析 |
| 3.4 实验制作和测试 |
| 3.4.1 LP_(01)-LP_(11a)模式开关 |
| 3.4.2 LP_(01)-LP_(11b)模式开关 |
| 3.4.3 LP_(01)-LP_(02)模式开关 |
| 3.5 集成三模电光模式开关 |
| 3.5.1 LP_(01)-LP_(11a)模式开关 |
| 3.5.2 LP_(01)-LP_(11b)模式开关 |
| 3.5.3 模间串扰 |
| 3.5.4 开关响应时间 |
| 3.6 工作性能参数 |
| 3.7 宽带电光模式开关的设计 |
| 3.8 本章小结 |
| 第四章 基于键合工艺制作的埋入式LN光波导在MDM系统的应用研究 |
| 4.1 FMF和 APE-LN光波导对接 |
| 4.2 基于键合工艺的模斑转换器 |
| 4.2.1 键合工艺 |
| 4.2.2 实验制作与测试 |
| 4.3 基于双层LN光波导垂直ADC的模式开关 |
| 4.4 本章小结 |
| 第五章 基于LNOI光波导的电光模式调控器件 |
| 5.1 铌酸锂薄膜光波导平台 |
| 5.2 基于级联MZI结构的电光可重构双模模式MUX/DMUX |
| 5.2.1 结构和功能 |
| 5.2.2 仿真分析 |
| 5.2.3 实验制作和测试 |
| 5.3 基于对称双模DC的电光模式开关 |
| 5.3.1 结构和功能 |
| 5.3.2 仿真分析 |
| 5.3.3 实验制作和测试 |
| 5.4 LNOI和 APE-LN光波导器件的比较 |
| 5.5 本章小结 |
| 第六章 总结与展望 |
| 6.1 总结 |
| 6.2 不足和展望 |
| 致谢 |
| 参考文献 |
| 攻读博士学位期间取得的成果 |
（7）硅基模式复用器件研究（论文提纲范文）
| 致谢 |
| 摘要 |
| Abstract |
| 1 绪论 |
| 1.1 硅基集成光子学的发展与优势 |
| 1.2 硅基片上模式复用技术 |
| 1.3 本文工作及创新点 |
| 2 硅光无源器件的仿真,加工及测试方法 |
| 2.1 光波导器件的仿真算法 |
| 2.1.1 光波导模式理论和仿真方法 |
| 2.1.2 光场传输仿真方法 |
| 2.2 硅光无源器件的制备工艺 |
| 2.3 无源器件的测试 |
| 3 模式-偏振-波长多维复用系统 |
| 3.1 多维复用系统架构 |
| 3.2 系统组成单元 |
| 3.2.1 模分(解)复用器 |
| 3.2.2 波分(解)复用器 |
| 3.2.3 偏振合束器 |
| 3.2.4 偏振旋转分束器 |
| 3.3 实验及表征 |
| 3.3.1 制备方法 |
| 3.3.2 测试结果 |
| 3.4 本章小结 |
| 4 可重构分插模式复用器 |
| 4.1 相变材料简介 |
| 4.2 器件结构及原理 |
| 4.3 器件设计和优化 |
| 4.4 结果与分析 |
| 4.5 本章小结 |
| 5 模式复用器的分析和优化设计 |
| 5.1. 两种常用模式复用器的容差分析 |
| 5.1.1 基于非对称定向耦合器的模式复用器 |
| 5.1.2 基于绝热锥形耦合器的模式复用器 |
| 5.2 基于亚波长光栅结构的模式复用器 |
| 5.2.1 设计原理 |
| 5.2.2 仿真结果 |
| 5.3 混合结构的双偏振模式复用器 |
| 5.3.1 结构与设计 |
| 5.3.2 实验与表征 |
| 5.4 两个通用问题的分析 |
| 5.4.1 模式干涉与系统性能退化 |
| 5.4.2 模式复用器通道数限制 |
| 5.5 本章小结 |
| 6 总结与展望 |
| 参考文献 |
| 作者简历 |
| 攻读硕士学位期间发表的论文及专利 |
（8）硅基片上基模与高阶模传输特性及器件研究（论文提纲范文）
| 致谢 |
| 摘要 |
| Abstract |
| 1 绪论 |
| 1.1 硅基集成光电子器件概述 |
| 1.2 硅基集成光电器件复用技术概述 |
| 1.2.1 波分复用技术 |
| 1.2.2 模式复用技术 |
| 1.2.3 偏振复用技术 |
| 1.3 模场调控的集成光子器件概述 |
| 1.4 本文的工作和创新点 |
| 1.4.1 本文的主要内容 |
| 1.4.2 本文的创新点 |
| 2 硅基集成光电子器件的光学仿真,制备及测试 |
| 2.1 光波导模式理论分析 |
| 2.2 光波导模式计算 |
| 2.3 光场传输计算 |
| 2.4 器件的制备及测试 |
| 2.5 本章小结 |
| 3 基于波导反射镜的多模弯曲波导 |
| 3.1 结构和设计 |
| 3.2 制作和测试 |
| 3.3 结果和分析 |
| 3.4 本章小结 |
| 4 基于欧拉弯曲与亚波长光栅的多模弯曲波导 |
| 4.1 结构和设计 |
| 4.2 结果和分析 |
| 4.3 本章小结 |
| 5 基于多模波导的超低损耗波导结构 |
| 5.1 散射损耗计算模型和计算理论 |
| 5.2 结构和设计 |
| 5.3 制作和测试 |
| 5.4 结果和分析 |
| 5.5 本章小结 |
| 6 总结与展望 |
| 参考文献 |
| 作者简历 |
| 攻读硕士学位期间发表的论文及专利 |
（9）基于光子晶体和纳米线波导的波分—模分混合复用/解复用集成器件研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| abstract |
| 专用术语注释表 |
| 第一章 绪论 |
| 1.1 研究背景 |
| 1.2 硅基片上复用/解复用器件的研究现状 |
| 1.2.1 硅基片上波分复用/解复用器件 |
| 1.2.2 硅基片上模分复用/解复用器件 |
| 1.2.3 硅基片上波分-模分混合复用/解复用器件 |
| 1.3 论文的主要研究内容和创新点 |
| 1.3.1 主要研究内容与章节安排 |
| 1.3.2 论文的创新点 |
| 第二章 波分、模分复用/解复用器件中的耦合模理论 |
| 2.1 波分复用/解复用器件中的耦合模理论 |
| 2.1.1 直接耦合型 |
| 2.1.2 侧耦合型 |
| 2.1.3 三端口下载型 |
| 2.1.4 反射壁下载型 |
| 2.1.5 反射腔下载型 |
| 2.2 模分复用/解复用器件中的耦合模理论 |
| 2.2.1 普适的波导间耦合模方程 |
| 2.2.2 单模波导与单模波导耦合的情况 |
| 2.2.3 单模波导与多模波导耦合的情况 |
| 2.3 本章小结 |
| 第三章 模式匹配对光学微腔与波导间耦合特性的影响 |
| 3.1 微腔与波导耦合结构的设计与制作 |
| 3.2 耦合原理分析 |
| 3.3 微腔与波导的侧耦合实验及结果分析 |
| 3.3.1 实验装置的搭建 |
| 3.3.2 实验结果与分析 |
| 3.4 本章小结 |
| 第四章 硅基光子晶体波分复用/解复用器件 |
| 4.1 基于一维光子晶体纳米梁腔的波分复用/解复用器 |
| 4.1.1 一维光子晶体纳米梁腔 |
| 4.1.2 双信道波分复用/解复用器的理论模型 |
| 4.1.3 双信道粗波分复用/解复用器的结构设计与性能分析 |
| 4.1.4 双信道密集波分复用/解复用器的结构设计与性能分析 |
| 4.2 基于二维光子晶体双反射壁腔的波分复用/解复用器 |
| 4.2.1 双反射壁腔型滤波器的理论模型 |
| 4.2.2 双反射壁腔型滤波器的结构设计与性能分析 |
| 4.2.3 三信道密集波分复用/解复用器的理论模型 |
| 4.2.4 三信道密集波分复用/解复用器的结构设计与性能分析 |
| 4.2.5 性能优化 |
| 4.3 基于二维光子晶体双色腔的波分复用/解复用器 |
| 4.3.1 基于Aubry-André模型的二维光子晶体双色腔 |
| 4.3.2 双信道密集波分复用/解复用器的结构设计与性能分析 |
| 4.4 本章小结 |
| 第五章 硅基光子晶体及纳米线波导模分复用/解复用器件 |
| 5.1 硅基光子晶体波导模分复用/解复用器 |
| 5.1.1 光子晶体波导的模式耦合特性 |
| 5.1.2 光子晶体模分复用/解复用器的理论模型与结构设计 |
| 5.1.3 光子晶体模分复用/解复用器的耦合传输谱研究 |
| 5.2 硅基纳米线波导模分复用/解复用器 |
| 5.2.1 纳米线波导的模式耦合特性 |
| 5.2.2 纳米线波导模分复用/解复用器的结构设计与性能分析 |
| 5.3 本章小结 |
| 第六章 硅基片上波分-模分混合复用/解复用器件 |
| 6.1 硅基片上粗波分-模分混合复用/解复用器 |
| 6.1.1 四信道粗波分-模分混合复用/解复用器的理论模型 |
| 6.1.2 四信道粗波分-模分混合复用/解复用器的结构设计与性能分析 |
| 6.2 硅基片上密集波分-模分混合复用/解复用器 |
| 6.2.1 四信道密集波分-模分混合复用/解复用器的理论模型 |
| 6.2.2 四信道密集波分-模分混合复用/解复用器的结构设计与性能分析 |
| 6.3 硅基片上波分-模分混合复用/解复用器的信道数目拓展 |
| 6.3.1 九信道密集波分-模分混合复用/解复用器的理论模型 |
| 6.3.2 九信道密集波分-模分混合复用/解复用器的结构设计与性能分析 |
| 6.4 硅基片上波分-模分混合复用/解复用器的信道间隔缩小 |
| 6.4.1 小信道间隔的密集波分-模分混合复用/解复用器的理论模型 |
| 6.4.2 小信道间隔的密集波分-模分混合复用/解复用器的结构设计与性能分析 |
| 6.5 本章小结 |
| 第七章 总结与展望 |
| 7.1 全文总结 |
| 7.2 展望 |
| 参考文献 |
| 附录1 攻读博士学位期间撰写的论文 |
| 附录2 攻读博士学位期间申请的专利 |
| 附录3 攻读博士学位期间参加的科研项目 |
| 致谢 |
（10）基于硅基光学延迟线的波长-模式脉冲交织器研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| ABSTRACT |
| 第一章 绪论 |
| 1.1 硅基集成光电子器件 |
| 1.2 集成光延迟芯片 |
| 1.2.1 集成光延迟芯片的背景与应用 |
| 1.2.2 集成光延迟芯片的实施方法 |
| 1.2.3 集成光延迟芯片的研究现状 |
| 1.3 时间交替高重频脉冲生成器 |
| 1.3.1 高频脉冲的应用 |
| 1.3.2 时间交织高重频脉冲生成器的研究现状 |
| 1.3.3 时间交织高重频脉冲生成器的面临问题 |
| 1.4 本论文结构安排及主要内容 |
| 第二章 基于延迟线结构的硅基波长-模式脉冲交织核心元件设计 |
| 2.1 硅基光延迟线 |
| 2.1.1 硅基光波导 |
| 2.1.2 移相器和可调衰减器的设计 |
| 2.1.3 光延迟芯片架构设计 |
| 2.1.4 光延迟芯片分析与讨论 |
| 2.2 波长与模式复用器件 |
| 2.2.1 波分复用器件 |
| 2.2.2 模分复用器件 |
| 2.3 基于延迟线的脉冲波长-模式复用器模型与仿真 |
| 2.3.1 脉冲复用分立模型的仿真 |
| 2.3.2 脉冲复用整体模型的仿真 |
| 2.4 本章小结 |
| 第三章 大范围连续可调超薄硅波导光延迟线 |
| 3.1 延迟线的设计 |
| 3.2 实验验证 |
| 3.2.1 单级和双级MZI开关的比较 |
| 3.2.2 光延迟特性 |
| 3.2.3 OTDM和 QAWG实验 |
| 3.3 进一步提升光延迟芯片性能的讨论 |
| 3.4 本章小结 |
| 第四章 硅基波长-模式脉冲交织器 |
| 4.1 波长-模式脉冲交织器 |
| 4.1.1 脉冲交织器的设计 |
| 4.1.2 不同参数对脉冲交织模型的影响 |
| 4.2 实验验证 |
| 4.2.1 波长脉冲交织器 |
| 4.2.2 波长-模式脉冲交织器 |
| 4.3 本章小结 |
| 第五章 硅基波长-模式脉冲交织高速光采样 |
| 5.1 波长-模式脉冲交织光学采样架构 |
| 5.1.1 整体架构 |
| 5.1.2 核心组件的设计 |
| 5.2 实验验证 |
| 5.2.1 波分脉冲交织器 |
| 5.2.2 WDM带通滤波器组 |
| 5.2.3 多模EO调制器 |
| 5.3 总体性能评估 |
| 5.4 脉冲交织器的应用前景讨论 |
| 5.5 本章小结 |
| 第六章 总结与展望 |
| 6.1 工作总结 |
| 6.2 研究展望 |
| 参考文献 |
| 附录一 符号与标记 |
| 致谢 |
| 攻读博士学位期间已发表或录用的论文 |
| 攻读博士学位期间参与的科研项目 |
四、设计模式复用支持系统的设计实现（论文参考文献）
- [1]面向多维复用的硅基亚波长结构集成光子器件研究[D]. 许弘楠. 浙江大学, 2021(01)
- [2]模分复用系统中轨道角动量模式传输理论分析与应用研究[D]. 杨婧翾. 北京邮电大学, 2021
- [3]短距离模分复用通信系统中新型少模光纤研究[D]. 张艺赢. 北京科技大学, 2021(08)
- [4]基于多平面光转换的光束控制理论研究[D]. 薛欣妹. 北京邮电大学, 2021(01)
- [5]高性能硅光滤波器及其应用研究[D]. 刘大建. 浙江大学, 2021(01)
- [6]应用于模分复用系统的铌酸锂光波导器件研究[D]. 张梦若. 电子科技大学, 2021(01)
- [7]硅基模式复用器件研究[D]. 卫怡晖. 浙江大学, 2021(09)
- [8]硅基片上基模与高阶模传输特性及器件研究[D]. 王依. 浙江大学, 2021(09)
- [9]基于光子晶体和纳米线波导的波分—模分混合复用/解复用集成器件研究[D]. 庄煜阳. 南京邮电大学, 2020
- [10]基于硅基光学延迟线的波长-模式脉冲交织器研究[D]. 王心怡. 上海交通大学, 2020(01)