高速光探测器模块中的耦合理论和模拟
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第三章 模耦合理论及应用
2
B( z )
2
d 2 2 ( A( z ) B( z ) ) 0 dz
3.1.2模耦合理论的基本概念—同向传输
如果耦合区域在 0 z L范围内,而初始条 A(0) 1, B(0) 0 即:在起始处光功率在 件为 波导I处,即书上说的波导I被激励 如果 A(0) 0, B(0) 1 ，则是起始处在波导 II处。 则将模耦合方程求解得到：
3.1.1模耦合理论的基本概念—耦合方程
模耦合的基本思想：
有波导I和 II ，当它们离得充分远时，假设其 各自的简正模场分布为φaφb ，并分别以传输 常数βa βb进行传输，然后，将两个波导相互 靠近，简正模的场分布不再是φaφb，而是将 包含波导I、II 的整个体系看作是一个波导， 此时耦合波导体系中传输的将是两个新的简正 模φeφo传输常数φe φo 此是模耦合的基本 概念。 53页给出
3.1.2模耦合理论的基本概念—同向传输
则将模耦合方程求解得到：
A( z )
B( z ) e
iz
12
2 c 2
e iz sin ( c2 2 )1 / 2 2
2 1/ 2
cos(
2 c
)
z i 2 sin ( c2 2 )1/ 2 z ( c 2 )1/ 2
e
j ( b a ) z
表示两个模之间的耦合系数
表示两个模之间的相位匹配常数
3.1.1模耦合理论的基本概念—耦合方程
ab c f f b dxdy
* a II
其积分范围是波导II 的截面
C是 a , b 归一化相关常数
3.1.2模耦合理论的基本概念—同向传输
B( z )
2
d 2 2 ( A( z ) B( z ) ) 0 dz
3.1.2模耦合理论的基本概念—同向传输
如果耦合区域在 0 z L范围内,而初始条 A(0) 1, B(0) 0 即:在起始处光功率在 件为 波导I处,即书上说的波导I被激励 如果 A(0) 0, B(0) 1 ，则是起始处在波导 II处。 则将模耦合方程求解得到：
3.1.1模耦合理论的基本概念—耦合方程
模耦合的基本思想：
有波导I和 II ，当它们离得充分远时，假设其 各自的简正模场分布为φaφb ，并分别以传输 常数βa βb进行传输，然后，将两个波导相互 靠近，简正模的场分布不再是φaφb，而是将 包含波导I、II 的整个体系看作是一个波导， 此时耦合波导体系中传输的将是两个新的简正 模φeφo传输常数φe φo 此是模耦合的基本 概念。 53页给出
3.1.2模耦合理论的基本概念—同向传输
则将模耦合方程求解得到：
A( z )
B( z ) e
iz
12
2 c 2
e iz sin ( c2 2 )1 / 2 2
2 1/ 2
cos(
2 c
)
z i 2 sin ( c2 2 )1/ 2 z ( c 2 )1/ 2
e
j ( b a ) z
表示两个模之间的耦合系数
表示两个模之间的相位匹配常数
3.1.1模耦合理论的基本概念—耦合方程
ab c f f b dxdy
* a II
其积分范围是波导II 的截面
C是 a , b 归一化相关常数
3.1.2模耦合理论的基本概念—同向传输
高速光纤通信系统的设计与仿真
高速光纤通信系统的设计与仿真光纤通信系统是一种基于光传输的高速通信系统，它利用光纤作为传输介质，通过光的衰减和反射来传输信息。
高速光纤通信系统可以实现更高的数据传输速率和更远的传输距离，因此在现代通信领域中得到了广泛的应用。
本文将重点介绍高速光纤通信系统的设计和仿真技术。
高速光纤通信系统的设计是一个复杂的过程，需要考虑光纤传输特性、光源、光学器件、调制解调器、光接收器等各个组成部分的设计。
在设计过程中，首先需要确定光纤的质量和长度，光纤的质量和长度会直接影响到传输效果和距离。
其次，需要选择合适的光源，常用的光源有激光器、LED光源等。
激光器是一种具有高光度和窄线宽的光源，适用于高速和长距离的光纤通信系统。
LED光源则适用于低速和短距离的光纤通信系统。
在设计光学器件时，需要考虑光纤的耦合损耗、纤芯直径、光纤的衰减和色散等因素。
耦合损耗是指光信号由光源耦合到光纤时的能量损耗，应尽量减小耦合损耗，以确保光信号传输的效率。
纤芯直径决定了光信号的传输能力，一般情况下，较大的纤芯直径可以传输更高的速率，但同时也增加了纤芯的损耗。
光纤的衰减和色散是光信号在传输过程中会遇到的两个主要问题。
衰减是指光信号在传输过程中逐渐减弱的现象，应尽量减小衰减以保证信号传输的质量。
色散是指光信号在传输过程中由于频率不同而导致的相位差，会降低信号的传输速率和质量。
调制解调器是光纤通信系统中的关键组成部分，它负责将电子信号转换为光信号，并将光信号转换为电子信号。
调制解调器的设计是光纤通信系统设计的关键环节，可以影响到系统的传输速率和稳定性。
常见的调制解调器有振荡调制调制解调器和直接调制解调器。
振荡调制调制解调器是一种将电子信号通过振荡器产生的光信号来调制的调制解调器，适用于长距离的光纤通信系统。
直接调制解调器是一种直接由电子信号调制产生的调制解调器，适用于高速和短距离的光纤通信系统。
光接收器是用来接收和解读光信号的装置，它负责将接收到的光信号转换为电子信号。
光通信中的光纤耦合技术分析
光通信中的光纤耦合技术分析光纤耦合技术是光通信中不可或缺的重要组成部分，它用于连接光纤和光学器件，实现光信号的传输和处理。
在光通信系统中，光纤耦合技术的稳定性、高效性和可靠性直接影响到整个系统的性能。
光纤耦合技术的基本原理是通过光的折射、反射和散射等现象，将光信号从一根光纤传输到另一根光纤或光学器件中。
根据光信号在光纤中的传播方式和连接的形式，可分为单模光纤耦合和多模光纤耦合。
单模光纤耦合是指通过调整光束的发射角度和位置，使光信号能够适应单模光纤的传输特性。
其主要应用在长距离高速光通信系统中，具有较高的抗干扰能力和传输带宽。
单模光纤耦合技术通常采用球面透镜或渐晕镜作为耦合元件，通过调整镜片的位置和角度，实现光束的精确聚焦和收敛。
多模光纤耦合是指通过改变光纤的数目、直径、形状、折射率等参数，使光信号能够适应多模光纤的传输特性。
它主要应用在短距离、低速率的光通信系统中，具有成本低、安装方便等优点。
常见的多模光纤耦合技术包括切割法、直接法、镜片法和光纤插座法等。
其中，切割法是最常见的一种方法，通过在光纤末端切割倒角，使光信号能够正常通过。
光纤耦合技术的优势在于其高效性和可靠性。
其高效性体现在光信号传输过程中，能够减少光信号的衰减和损耗，提高系统的传输效率。
光纤耦合技术的可靠性体现在耦合连接的稳定性，通过优化耦合结构和有效的对准方式，可以保证光信号的稳定传输。
然而，光纤耦合技术也存在一些挑战和限制。
首先，光纤耦合技术对光源的波长和功率要求较高，需要选择合适的光源和光信号处理器。
其次，由于光纤的直径和长度有一定的限制，光纤耦合技术在长距离和高比特率传输中可能面临一定的困难。
此外，环境因素如温度、湿度等也会对光纤耦合的性能产生影响。
为了克服这些挑战，研究人员一直致力于改进和创新光纤耦合技术。
一种新兴的技术是无线光纤耦合技术，通过无线光纤模块将光纤和光学器件之间的连接变为无线传输，实现更灵活的布局和扩展性。
此外，高密度光纤耦合技术也是当前的研究热点，通过增加光纤的数目和优化耦合结构，提高系统的传输带宽和容量。
0 1x9光模块与PHY芯片的藕合方法上
1. 电平的上限和下限定义不一样，CMOS具有更大的抗噪区域。 2. 2.电流驱动能力不一样，ttl一般提供25毫安的驱动能力，而CMOS一般在10毫安左右。 3. 需要的电流输入大小也不一样，一般ttl需要2.5毫安左右，CMOS几乎不需要电流输入。 4. 很多器件都是兼容ttl和CMOS的，datasheet会有说明。如果不考虑速度和性能，一般器件可以互换。 但是需要注意 有时候负载效应可能引起电路工作不正常，因为有些TTL电路需要下一级的输入阻抗作为负载才能正常工作。
2.1 CML接口输出结构
CML 接口的输出电路形式是一个差分对，该差分对的集电极电阻为50Ω，如图3 中所示，输出信号的高低电平切换 是靠共发射极差分对的开关控制的，差分对的发射极到地的恒流源典型值为16mA，假定CML 输出负载为一50Ω上拉 电阻，则单端CML 输出信号的摆幅为Vcc ～ Vcc-0.4V。在这种情况下，差分输出信号摆幅为800mVP-P，共模电压为 Vcc-0.2V。若CML输出采用交流耦合至50Ω负载，这时的直流阻抗有集电极电阻决定，为50Ω，CML 输出共模电压变 为Vcc-0.4V，差分信号摆幅仍为800mVP-P。在交流和直流耦合情况下输出波形见图4。
6
Gigac Technology Co., Ltd. Mob : +86-13980052130 Fax : +86-28-85156083-808
因此，CMOS电路与TTL电路就有一个电平转换的问题，使两者电平域值能匹配。 TTL（或CMOS）电平之间的连接不需要做电路匹配，因此两个TTL（或CMOS）电平之间可以直接互联，TTL （或CMOS）电平与PECL电平之间的转换是通过T-P、P-T转换芯片来实现的，这类型的芯片例如Micrel的SY100ELT系 列等。 高 速 IC 芯 片 与 高 速 光 模 块 间 互 连 通 常 有 四 种 接 口 ： PECL (Positive Emitter-Coupled Logic) 、 LVPECL (Low-Voltage Positive Emitter-Coupled Logic)、LVDS (Low-Voltage Differential Signals)、CML (Current ModeLogic)。为解决不同接口标准芯片与高速光模块间的互连这一问题，我们首先需要了解每一种接口标准的输入 输出电路结构，由此可以知道如何进行直流偏置和终端匹配。
2.1 CML接口输出结构
CML 接口的输出电路形式是一个差分对，该差分对的集电极电阻为50Ω，如图3 中所示，输出信号的高低电平切换 是靠共发射极差分对的开关控制的，差分对的发射极到地的恒流源典型值为16mA，假定CML 输出负载为一50Ω上拉 电阻，则单端CML 输出信号的摆幅为Vcc ～ Vcc-0.4V。在这种情况下，差分输出信号摆幅为800mVP-P，共模电压为 Vcc-0.2V。若CML输出采用交流耦合至50Ω负载，这时的直流阻抗有集电极电阻决定，为50Ω，CML 输出共模电压变 为Vcc-0.4V，差分信号摆幅仍为800mVP-P。在交流和直流耦合情况下输出波形见图4。
6
Gigac Technology Co., Ltd. Mob : +86-13980052130 Fax : +86-28-85156083-808
因此，CMOS电路与TTL电路就有一个电平转换的问题，使两者电平域值能匹配。 TTL（或CMOS）电平之间的连接不需要做电路匹配，因此两个TTL（或CMOS）电平之间可以直接互联，TTL （或CMOS）电平与PECL电平之间的转换是通过T-P、P-T转换芯片来实现的，这类型的芯片例如Micrel的SY100ELT系 列等。 高 速 IC 芯 片 与 高 速 光 模 块 间 互 连 通 常 有 四 种 接 口 ： PECL (Positive Emitter-Coupled Logic) 、 LVPECL (Low-Voltage Positive Emitter-Coupled Logic)、LVDS (Low-Voltage Differential Signals)、CML (Current ModeLogic)。为解决不同接口标准芯片与高速光模块间的互连这一问题，我们首先需要了解每一种接口标准的输入 输出电路结构，由此可以知道如何进行直流偏置和终端匹配。
耦合模理论
the initial conditions at t =0 are as follows:
A1 (0) = 1, A2 (0) = 0 ,
We can see the variations of the amplitudes of the two coupled pendulums in Fig.b
plot a graph to express the process as shown in Fig.b and Fig.c. The abscissa
represents the time, and the ordinate A represents the amplitude of each pendulum. If
fact that the pendulums are connected to a same string, and any vibration of one of the
pendulums will have an effect on the other through the string.
It has been recognized that coupled transmission lines, coupled electrical circuits,
now the abscissa represents distance instant of time.
Sometimes the coupling is not between the same kind of waves or oscillations, for
example, in a traveling wave tube, a space-charge wave and an electromagnetic wave
高速光探测器模块中的耦合理论和模拟
维普资讯
第２ ８卷
第 ２期
半
导
体
学
报
Ｖ ＯＩ２８ Ｎ Ｏ． ． ２
２０ ０ ７年 ２月
ＣＨ Ｉ ＮＥＳＥ ＪＯＵ Ｒ ＮＡ Ｌ Ｆ Ｏ ＳＥＭ Ｉ Ｃ０ Ｎ Ｄ Ｕ ＣＴ０ ＲＳ
Ｆｅｂ．， ０７ ２０
高速 光 探 测 器模 块 中 的耦 合 理 论 和 模 拟
图 １ 倾 斜 端 面 光纤 工 作 原 理 示意 图
Ｆｉ １ Ｐｒｎｃｐｌ ｇｌ－ ｄｅ ｉｅｒ ｇ．移 动 对 耦 合 造 成 影 响 的 最 终 原
十通 信 作 者 ． Ｅｍａｌｓｓ ｎ ｇ ｍａｌｓｓ ．ｄ ．ｎ ｉ ｔｗａ ｇ ＠ ； ｉ ｙｕ ｅ ｕ ｃ ． ２ ０ －６２ ０ ６０ －３收 到 ，０ ６０ －６定 稿 ２ ０ －９０
合性 能上 回波损耗 小 ， 以 它 特别 适 用 于高 速 光 探 所
测器 中 正 面 入 光 的 ＡＰ Ｐ Ｎ 光 接 受 芯 片 的 光 耦 Ｄ， Ｉ
＼ ＼
： ：
一
， ｏ Ｎ
合． 目前对 倾斜 端 面 的研究 主要 集 中在研 究倾 斜端 面光纤 的原 理［ 和把 它 当成封 装 的一个 流程 从 实验 １ 上 研究 其 对 最 终 耦 合 的影 响 ［ ， 未 给 出耦 合 过程 ２并 ］
定．
关 键 词 ： 光探 测 器 ；倾 斜 端 面 光 纤 ；耦 合 效 率 ；耦 合 容 许 度
ＥＥＡＣＣ ： ７２ ３０
中 图 分 类 号 ：Ｔ ３ ５ ９ Ｎ ０ ．４
文 献标 识 码 ：Ａ
文 章 编 号 ：０ ５ －１ ７ ２ ０ ）２０ ７ －５ ２ ３４ ７ （０ ７ ０ －２５０
第２ ８卷
第 ２期
半
导
体
学
报
Ｖ ＯＩ２８ Ｎ Ｏ． ． ２
２０ ０ ７年 ２月
ＣＨ Ｉ ＮＥＳＥ ＪＯＵ Ｒ ＮＡ Ｌ Ｆ Ｏ ＳＥＭ Ｉ Ｃ０ Ｎ Ｄ Ｕ ＣＴ０ ＲＳ
Ｆｅｂ．， ０７ ２０
高速 光 探 测 器模 块 中 的耦 合 理 论 和 模 拟
图 １ 倾 斜 端 面 光纤 工 作 原 理 示意 图
Ｆｉ １ Ｐｒｎｃｐｌ ｇｌ－ ｄｅ ｉｅｒ ｇ．移 动 对 耦 合 造 成 影 响 的 最 终 原
十通 信 作 者 ． Ｅｍａｌｓｓ ｎ ｇ ｍａｌｓｓ ．ｄ ．ｎ ｉ ｔｗａ ｇ ＠ ； ｉ ｙｕ ｅ ｕ ｃ ． ２ ０ －６２ ０ ６０ －３收 到 ，０ ６０ －６定 稿 ２ ０ －９０
合性 能上 回波损耗 小 ， 以 它 特别 适 用 于高 速 光 探 所
测器 中 正 面 入 光 的 ＡＰ Ｐ Ｎ 光 接 受 芯 片 的 光 耦 Ｄ， Ｉ
＼ ＼
： ：
一
， ｏ Ｎ
合． 目前对 倾斜 端 面 的研究 主要 集 中在研 究倾 斜端 面光纤 的原 理［ 和把 它 当成封 装 的一个 流程 从 实验 １ 上 研究 其 对 最 终 耦 合 的影 响 ［ ， 未 给 出耦 合 过程 ２并 ］
定．
关 键 词 ： 光探 测 器 ；倾 斜 端 面 光 纤 ；耦 合 效 率 ；耦 合 容 许 度
ＥＥＡＣＣ ： ７２ ３０
中 图 分 类 号 ：Ｔ ３ ５ ９ Ｎ ０ ．４
文 献标 识 码 ：Ａ
文 章 编 号 ：０ ５ －１ ７ ２ ０ ）２０ ７ －５ ２ ３４ ７ （０ ７ ０ －２５０
耦合模理论的推导公式
CMT 可得
a1(t) (j 1)a1(t) jK 12a2(t) FS(t) a2(t) (j 2 1)a2(t) jK 12a1(t)
（6） （7）
在上述公式中， 1, 2, L 分别为原线圈的损耗、负载线圈的损耗和
负载的吸收功率， K12 为两个线圈的耦合率， FS(t) 为励磁损耗（忽略不
所带的负载， K 2 和 K 3 分别为两个负载线圈的耦合系数.同理可得
U
R
j
L1
1 C
1
I
1
jM 2I 2
jM 3I 3
（10）
0
R
RL2
j
L
2
1 C
2
I
2
jM 2I 1
(11)
0
R
RL3
j
L
3
1 C 3
I
3
jM 3I 1
(12)
在谐振状态下的传输效率为
CT
P
I R 2 2 L2
在谐振状态下，
0
L1
1 0L1
,
L0 2
1 0L2
,
X
1
R,
X
2
R
，从而得到
CT
((RL
2M 2 RL R)R 2M 2 )(RL
R)
(5)
1.2 CMT 分析
CPT 系统中，常常只涉及稳态分析，在此也仅分析稳态特性。主
线圈的幅值在正弦时为一个常数；同理，次线圈的幅值也是一个常数， 两个时间域线圈 a1(t), a2(t) 的原始储能可分别表示为 a1(t) 2 , a2(t) 2 。由
( L 2)(( L 2)1 K 122
光波导原理：CH5 耦合模式理论
是均匀分布的了 • 当理想的波导受到折射率扰动（必须是微扰！）之后，其电磁场分布在任意z或
者t、仍然是多个已有模式（横模或者纵模）的叠加，只不过叠加系数随传输方 向z或者t发生了改变 • 原本独立传播的模式之间发生了相互作用（表现为能量上的交换、或者相互调制） • 耦合模理论对应的方程，是刻画模式系数随z或者t的改变与折射率微扰的关系
E
2
O
z
i sin
E
O 2
z
E2T
i
e
E
2
O
z
光在“组合波导”内的传输，同样也可以表示为原有模式（包括模式的截面分布和
纵向分布！）的组合、及其组合的变化…
n1 n2
n1
z
n2 n1
能量从一个模式完全耦合到另一个模式所经历的长度 E O
7
视角：耦合模理论 VS. 模式分解/合成
耦合模理论认为： • 折射率沿着波导传输方向发生了静态或者动态的改变，即沿z方向或者t方向不再
折射率的变化引起模式之间的耦合，类 似于光遇到折射率突变的界面会受到反 射一样；这才是模式耦合的主因，而非 butt coupling（场重叠）
波导I内，模式I随z的变化
波导I处折射率的变化引起其 有效折射率的变化，导致模 式I的相移移动
波导I处折射率的变化引起模 式II的变化，将模式II的功率 耦合到模式I中
注意：n n1 n2 支持两个“已有模式”的波导是“假想”的，选择应该使其横模的线性组合尽量与组合 波导的电磁场分布吻合（也是提前假定的…）
9
耦合模理论：方程
从弱导近似下的波动方程出发——
组合波导中，电场应该满足波动方程 2E k02n2E 0
根据耦合模理论的假定，电场由两个已有横模组合而成，即
者t、仍然是多个已有模式（横模或者纵模）的叠加，只不过叠加系数随传输方 向z或者t发生了改变 • 原本独立传播的模式之间发生了相互作用（表现为能量上的交换、或者相互调制） • 耦合模理论对应的方程，是刻画模式系数随z或者t的改变与折射率微扰的关系
E
2
O
z
i sin
E
O 2
z
E2T
i
e
E
2
O
z
光在“组合波导”内的传输，同样也可以表示为原有模式（包括模式的截面分布和
纵向分布！）的组合、及其组合的变化…
n1 n2
n1
z
n2 n1
能量从一个模式完全耦合到另一个模式所经历的长度 E O
7
视角：耦合模理论 VS. 模式分解/合成
耦合模理论认为： • 折射率沿着波导传输方向发生了静态或者动态的改变，即沿z方向或者t方向不再
折射率的变化引起模式之间的耦合，类 似于光遇到折射率突变的界面会受到反 射一样；这才是模式耦合的主因，而非 butt coupling（场重叠）
波导I内，模式I随z的变化
波导I处折射率的变化引起其 有效折射率的变化，导致模 式I的相移移动
波导I处折射率的变化引起模 式II的变化，将模式II的功率 耦合到模式I中
注意：n n1 n2 支持两个“已有模式”的波导是“假想”的，选择应该使其横模的线性组合尽量与组合 波导的电磁场分布吻合（也是提前假定的…）
9
耦合模理论：方程
从弱导近似下的波动方程出发——
组合波导中，电场应该满足波动方程 2E k02n2E 0
根据耦合模理论的假定，电场由两个已有横模组合而成，即
光耦常用参数及光耦使用技巧
正向压降VF：二极管通过的正向电流为规定值时，正负极之间所产生的电压降。
正向电流IF：在被测管两端加一定的正向电压时二极管中流过的电流。
反向电流IR：在被测管两端加规定反向工作电压VR时，二极管中流过的电流。
反向击穿电压VBR：：被测管通过的反向电流IR为规定值时，在两极间所产生的电压降。
结电容CJ：在规定偏压下，被测管两端的电容值。
反向击穿电压V(BR)CEO：发光二极管开路，集电极电流IC为规定值，集电极与发射集间的电压降。
输出饱和压降VCE(sat)：发光二极管工作电流IF和集电极电流IC为规定值时，并保持IC/IF≤CTRmin时（CTRmin在被测管技术条件中规定）集电极与发射极之间的电压降。
反向截止电流ICEO：发光二极管开路，集电极至发射极间的电压为规定值时，流过集电极的电流为反向截止电流。
电流传输比CTR：输出管的工作电压为规定值时，输出电流和发光二极管正向电流之比为电流传输比CTR。
脉冲上升时间tr、下降时间tf：光耦合器在规定工作条件下，发光二极管输入规定电流IFP的脉冲波，输出端管则输出相应的脉冲波，从输出脉冲前沿幅度的10%到90%，所需时间为脉冲上升时间tr。
从输出脉冲后沿幅度的90%到10%，所需时间为脉冲下降时间tf。
传输延迟时间tPHL、tPLH：光耦合器在规定工作条件下，发光二极管输入规定电流IFP的脉冲波，输出端管则输出相应的脉冲波，从输入脉冲前沿幅度的50%到输出脉冲电平下降到1.5V时所需时间为传输延迟时间tPHL。
从输入脉冲后沿幅度的50%到输出脉冲电平上升到1.5V时所需时间为传输延迟时间tPLH。
入出间隔离电容CIO：光耦合器件输入端和输出端之间的电容值。
入出间隔离电阻RIO：半导体光耦合器输入端和输出端之间的绝缘电阻值。
入出间隔离电压VIO：光耦合器输入端和输出端之间绝缘耐压值。
----------------------------------------------------------------------------------------常用的器件。
第5章光纤耦合理论
7
∂Aj
∂Aj
多束同频光的非线性耦合
l
频率相同的不同光波应当具有不同的偏振方向或者传输 方向。
(s) ( z, T ) ∂Ap
(s) (s) ( z , T ) 1 ( s )(3) ( z, T ) ∂ 2 Ap ∂ 3 Ap i ( s )(2) s + β p (ω0 ) − β p (ω0 ) 2 2 6 ∂z ∂T ∂T 3 (s) α p (s) (s) (s) ( z , T ) + iΓ (ps ) Ap ( z , T ) − Ap = iδ p 2
3
Bao-Jian Wu, et al. Characteristics of magneto-optic fiber Bragg gratings for use in optical signal processing, Optical Fiber Technology, 2009,15(2): 165-171
−1 −2 −3 −4 −2 0 x/κg 2
−1 −2 −3 −4 −2 0 x/κg 2
−1 −2 −3 −4 −2
−1 −2 −3 −4 −2
0 x/κg
2
0 x/κg
2
δ = (ω − ω B )n c , ω B = β B c n κ g =k0 ∆n1 > 0
4
5.3 光纤非线性光控光机理
l l
非线性光学经常在频域内讨论介质的极化过程，通 过傅里叶变换引入介质极化率张量。 三阶复电极化强度与复电场之间的关系：
m,n, q
P (3) (ω , t ) = ε 0
Ø
∑
χ (3) (ω | ωm , ωn , ωq )gE (ωm , t )E (ωn , t )E (ωq , t )
∂Aj
∂Aj
多束同频光的非线性耦合
l
频率相同的不同光波应当具有不同的偏振方向或者传输 方向。
(s) ( z, T ) ∂Ap
(s) (s) ( z , T ) 1 ( s )(3) ( z, T ) ∂ 2 Ap ∂ 3 Ap i ( s )(2) s + β p (ω0 ) − β p (ω0 ) 2 2 6 ∂z ∂T ∂T 3 (s) α p (s) (s) (s) ( z , T ) + iΓ (ps ) Ap ( z , T ) − Ap = iδ p 2
3
Bao-Jian Wu, et al. Characteristics of magneto-optic fiber Bragg gratings for use in optical signal processing, Optical Fiber Technology, 2009,15(2): 165-171
−1 −2 −3 −4 −2 0 x/κg 2
−1 −2 −3 −4 −2 0 x/κg 2
−1 −2 −3 −4 −2
−1 −2 −3 −4 −2
0 x/κg
2
0 x/κg
2
δ = (ω − ω B )n c , ω B = β B c n κ g =k0 ∆n1 > 0
4
5.3 光纤非线性光控光机理
l l
非线性光学经常在频域内讨论介质的极化过程，通 过傅里叶变换引入介质极化率张量。 三阶复电极化强度与复电场之间的关系：
m,n, q
P (3) (ω , t ) = ε 0
Ø
∑
χ (3) (ω | ωm , ωn , ωq )gE (ωm , t )E (ωn , t )E (ωq , t )
基于多层MoS2的光电探测器设计与仿真
基于多层MoS2的光电探测器设计与仿真基于多层MoS2的光电探测器设计与仿真摘要：随着纳米科技的快速发展和应用的推广，光电探测器成为研究的热点之一。
本文主要研究基于多层MoS2的光电探测器的设计与仿真。
通过对MoS2材料的特性研究，并结合半导体物理理论，我们设计了一个能够高效吸收光能并转化为电能的光电探测器，并通过建立相应的数学模型进行了仿真验证。
仿真结果显示，该光电探测器的吸收率高，响应速度快，具有良好的性能。
1. 引言光电探测器是一种将光能转化为电能的设备。
在现代电子技术和信息技术中广泛应用，尤其在通信、光电子器件和太阳能电池方面具有重要的意义。
然而，传统的光电探测器在吸收率和响应速度上存在一些局限。
因此，研究新型材料和设计新型结构的光电探测器是迫切需要的。
2. 多层MoS2的特性研究MoS2是一种二维材料，具有优异的光电性能和机械性能。
在多层MoS2中，每一层MoS2的原子按照S-Mo-S的排列方式堆叠形成。
通过第一性原理计算和实验测量，我们研究了多层MoS2的能带结构、吸收率和载流子运动性质等特性。
研究结果表明，多层MoS2具有宽带隙和高吸收率的特点，非常适合用于光电探测器的设计。
3. 光电探测器的设计与结构基于多层MoS2的光电探测器的关键是在多层MoS2上引入有效的电极结构。
我们设计了一个双端电极结构，电极与多层MoS2之间通过金属导线相连，以实现电子的载流子注入和输出。
同时，在多层MoS2上引入表面等离子体共振结构，可以进一步提高光的吸收率。
4. 光电探测器的数学模型与仿真为了验证设计的光电探测器的性能，我们建立了相应的数学模型。
模型考虑了多层MoS2的能带结构、载流子运动规律和光的传播特性等因素，并采用有限差分方法对模型进行了仿真计算。
仿真结果表明，设计的光电探测器具有高吸收率和快速响应速度的特点。
5. 结果与讨论通过仿真结果的分析和比较，我们发现设计的光电探测器在可见光和红外光谱范围内具有较高的吸收率，并且其响应速度优于传统光电探测器。
光纤通信中的光放大器与光纤耦合技术分析
光纤通信中的光放大器与光纤耦合技术分析光纤通信是现代通信领域中一种关键的传输技术，它以光纤作为信号的传输介质，具有高带宽、低能耗、抗干扰等优点。
在光纤通信系统中，光放大器和光纤耦合技术是实现高速、高质量光信号传输的重要组成部分。
1. 光放大器技术分析光放大器是一种能增强光信号强度的设备，它将入射的光信号经过放大处理后输出，以实现信号的传输和延长传输距离。
常见的光放大器包括半导体光放大器(SOA)、光纤放大器(EDFA)和拉曼放大器(Raman Amplifier)。
a) 半导体光放大器(SOA)半导体光放大器是利用半导体材料的电光特性将光信号转化成电子信号，然后再将电子信号转化成光信号的放大器。
它结构简单、功耗低，但存在信号失真、光噪声等问题，适用于低速率短距离通信。
b) 光纤放大器(EDFA)光纤放大器是利用光纤内掺杂掺铕等稀土元素的光纤作为放大介质，通过受激辐射将入射信号放大的放大器。
它具有宽带、高增益、低噪声等优点，适用于高速、长距离通信。
c) 拉曼放大器(Raman Amplifier)拉曼放大器是利用拉曼散射效应实现的一种光放大器，通过光信号与光纤内的分子进行能量交换，使光信号得到放大。
拉曼放大器具有高增益、自由谱宽可调等特点，但成本较高，适用于特定应用领域。
2. 光纤耦合技术分析光纤耦合技术是将光信号传输到光纤中的重要手段，它涉及到光源与光纤的连接方式和耦合效率的提高。
a) 直连耦合技术直连耦合技术是指光源与光纤直接相连的方式，常见的有末端面对接耦合和光纤包层剥离耦合。
直连耦合技术操作简单，但光纤的末端面质量、对准精度和耦合效率对光信号的传输稳定性有重要影响。
b) 插入损耗技术插入损耗是光纤耦合过程中不可避免的损耗，主要包括衰减和反射损耗。
降低插入损耗可以采取一系列措施，如优化光纤端面质量、加强光纤耦合连接力度、使用低反射涂层等。
c) 光纤光柱整形技术光纤光柱整形技术是指通过适当的光学元件对光纤的输出光柱进行整形，使其更好地匹配到接收器或光纤连接器的光接收窗口，提高光纤耦合效率。
高速InGaAsPIN光电探测器の研究
摘要本论文工作围绕１．Ｏ．１．６ｕｍ光通讯波段Ｉｎ０，５３Ｇａｏ．４７ＡｓＰＩＮ超高速光电探测器的研制开展，针对超高速光电探测器的特点，以光电探测器的设计、制作和测试＼／为主要内容，研制出了一批性能良好的光电探测器，，ｆ｝导到了下面一些结果：…＼１．在对光电探测器的卜Ｖ特性、量子效率、Ｃ—Ｖ特性和瞬态响应速度进行计算和讨论的基础上，进行了探测器的结构设计。
从优化探测器的响应速度、耦合效率和量子效率的角度出发，提出了合理的Ｉｎｏ．５３Ｇａｏ４７ＡｓＰＩＮ光电探测器的外延层材料结构和器件图形结构，利用这个结构进行了探测器的版图设计，得到了实用可行的正面入射台面结构Ｉｎｏ５３Ｇａｏ４７ＡｓＰＩＮ光电探测器版图。
２．通过正胶反转工艺、湿法腐蚀工艺和聚酰亚胺的钝化工艺实验，得到了合适的Ｉｎｏ５３Ｑａｏ４７ＡｓＰＩＮ光电探测器的单项工艺条件，利用这些单项工艺制定出了详细的探测器工艺流程，并且利用这个工艺流程制成了一批ＩＩｌ０．５３Ｇａｏ４７ＡｓＰＩＮ光电探测器芯片。
３．通过对探测器卜Ｖ特性、光谱响应、Ｃ—Ｖ特性和瞬态时域响应的测试原理和方法的讨论，利用相应的测试设备对探测器的性能参数进行了测量，并对典型器件的测试结果进行了分析。
由探测器的卜Ｖ特性曲线得到了典型器件在．５Ｖ下的反向暗电流为６４０ｐＡ，，击穿电压为３７Ｖ；由探测器的光谱响应得到了探测器的峰值响应波长为１．６５ｕｍ、短波方向的截止波长为Ｉｕｍ、长波方向的截止波长为１．７５ｕｍ；由探测器的Ｃ—Ｖ特性曲线得到了典型探测器的在．５Ｖ偏压下的电容约为１．４ｐｆ，通过对Ｃ—Ｖ特性的讨论得到了影响探测器的电容的主要因素是分布参数：由探测器的时域瞬态响应的测量得到了典型器件在．ＩＯＶ下的上升时间为３７ｐｓ，下降时间为３０ｐｓ，半高宽为４８ｐｓ，通过时域瞬态响应曲线，探讨了影响探测器响应速度的主要因素，得到了电路的ＲＣ时间常数、载流子在耗尽区外的扩散作用和测试系统的响应速度是影响探测器的响应速度的主要因素的结论，并且对测试系统中存在的问题进行了分析，预期改进测试系统后，可一ｌ、以获得更符合实际的测量结果。
高超声速飞行器多物理场耦合问题建模与分析
2023-11-06CATALOGUE目录•引言•高超声速飞行器多物理场耦合模型•高超声速飞行器多物理场耦合数值模拟•高超声速飞行器多物理场耦合问题分析•高超声速飞行器多物理场耦合问题优化设计•结论与展望01引言研究背景与意义高超声速飞行器在国防、科技和商业领域具有重要应用价值，如高超声速巡航导弹、高超声速飞机等。
多物理场耦合问题是高超声速飞行器设计面临的重大挑战之一，涉及气动、热、结构等多个物理场的相互影响。
研究多物理场耦合问题对提高高超声速飞行器的性能、安全性和可靠性具有重要意义。
010203研究现状与发展国内外学者针对高超声速飞行器多物理场耦合问题开展了广泛研究，提出了许多建模与求解方法。
然而，由于高超声速飞行器多物理场耦合问题的复杂性，仍存在许多挑战需要进一步解决。
随着计算技术和数值方法的不断发展，多物理场耦合问题的研究将更加深入，为高超声速飞行器的设计提供更加有效的手段。
02高超声速飞行器多物理场耦合模型建模方法与原理耦合模型分类根据耦合程度和物理场类型，可将高超声速飞行器多物理场耦合模型分为强耦合模型、弱耦合模型和混合耦合模型。
建模原理利用物理和数学方法，建立能够描述各物理场之间相互作用和影响的数学模型，并进行数值模拟和实验验证。
常用软件ANSYS、FLUENT、MATLAB、COMSOL等。
气动-热-结构耦合模型热效应对气动性能的影响结构变形会改变飞行器的气动外形，进而影响飞行器的气动性能。
建模方法采用有限元法和有限差分法等数值方法，进行耦合求解。
气动外形对温度场的影响高超声速飞行时，气动加热会导致飞行器表面温度升高，进而影响结构强度和刚度。
03建模方法采用多学科耦合方法和控制理论进行建模和仿真分析。
气动-推进-控制耦合模型01推进系统对气动性能的影响火箭发动机的推力、燃料消耗等会影响飞行器的气动外形和气动性能。
02控制系统的气动效应控制面、控制机构等的气动效应会影响飞行器的气动性能和控制精度。
光模块耦合原理
光模块耦合原理一、概述光模块耦合是指将光学信号从一个光学器件（如激光器或LED）传输到另一个光学器件（如接收器或其他光学设备）的过程。
它是现代通信和计算机技术中不可或缺的一部分。
本文将详细介绍光模块耦合的原理。
二、传输介质在进行光模块耦合时，需要使用一个传输介质来将光信号从一个器件传输到另一个器件。
常用的传输介质有两种：一种是光纤，另一种是自由空间。
2.1 光纤光纤是一根具有高折射率的玻璃或塑料材料制成的细长柔性管道，可以将光信号通过反射和折射在内部进行传输。
在进行光模块耦合时，通常使用单模或多模光纤来连接两个器件，以便实现高速、稳定和可靠的数据传输。
2.2 自由空间自由空间指无任何障碍物存在的空气或真空环境，在这种环境下可以通过直接发射和接收来实现两个器件之间的通信。
在进行自由空间耦合时，通常需要使用透镜、反射镜和光栅等光学元件来控制光束的传输和聚焦。
三、耦合方式在进行光模块耦合时，需要选择一种适当的耦合方式来实现两个器件之间的连接。
常用的耦合方式有两种：一种是直接耦合，另一种是间接耦合。
3.1 直接耦合直接耦合是指将两个器件直接连接在一起，以便实现光信号的传输。
在进行直接耦合时，需要将两个器件的输出端和输入端精确对准，并使用适当的夹具或支架来保持它们之间的距离和角度不变。
3.2 间接耦合间接耦合是指通过一个中介物来将两个器件连接起来。
中介物可以是一个透明材料（如玻璃或塑料）或一个反射表面（如金属或镜子）。
在进行间接耦合时，需要将中介物放置在两个器件之间，并使用适当的光学元件来控制光束的传输和聚焦。
四、影响因素在进行光模块耦合时，有许多因素会影响其性能和效率。
以下是其中几个主要因素。
4.1 准直度准直度是指光束的方向和角度是否正确。
如果光束的方向或角度偏离了正常值，将会导致信号损失和噪声增加。
4.2 聚焦度聚焦度是指光束的直径和形状是否正确。
如果光束的直径或形状不正确，将会导致信号强度减弱和失真。
波导光学第二章 光波导耦合理论与耦合器
第二章 光波导耦合理论与耦合器
1
光耦合的介绍:
➢光耦合：使光信号从一个光学元 件进入到另一个光学元件
➢耦合器：实现光耦合的元器件统 称为耦合器，集成光学中常用的 耦合器有棱镜，光栅，楔面等。
平板波导模式分布-导模
Cladding
Core
qi
Substrate
导模的特点： • 包层的场成指数衰减。 • 传播常数取分立的值。 • 理论上没有损耗。 • 各个导模正交。
光波导的纵向非均匀性
光波导的纵向不均匀起因：制作不完善；使用时引入；人为引入
芯包分界面不均匀
芯子直径纵向变化 重力影响导致的光纤纵向受力不均，引 起几何尺寸和折射率分布不均匀
制作不完善 ∆纵向不均匀
使用时引入
人为引入：光纤光栅， 重要的光纤器件！
定向耦合器（Directional Coupler）
Input waveguideRin A
B Rout Output waveguide
Coupling region
1
3
D
s
2
4
A0
ZL
x axis
B0
y axis
z axis
波导中传输的导模在芯层外的倏逝场由于相互作用产生耦合，引起波导间模式功 率的相互转移。
8
模式耦合
同向耦合
模式耦合
导波模
应用实例：方向耦合器、Y分支、MZ
E(x, y) Em* (x, y)dxdy
2
功率耦合效率 m
Am 2
E(x, y) E*(x, y)dxdy
E(x, y) Em* (x, y)dxdy E(x, y) E*(x, y)dxdy
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光耦合的介绍:
➢光耦合：使光信号从一个光学元 件进入到另一个光学元件
➢耦合器：实现光耦合的元器件统 称为耦合器，集成光学中常用的 耦合器有棱镜，光栅，楔面等。
平板波导模式分布-导模
Cladding
Core
qi
Substrate
导模的特点： • 包层的场成指数衰减。 • 传播常数取分立的值。 • 理论上没有损耗。 • 各个导模正交。
光波导的纵向非均匀性
光波导的纵向不均匀起因：制作不完善；使用时引入；人为引入
芯包分界面不均匀
芯子直径纵向变化 重力影响导致的光纤纵向受力不均，引 起几何尺寸和折射率分布不均匀
制作不完善 ∆纵向不均匀
使用时引入
人为引入：光纤光栅， 重要的光纤器件！
定向耦合器（Directional Coupler）
Input waveguideRin A
B Rout Output waveguide
Coupling region
1
3
D
s
2
4
A0
ZL
x axis
B0
y axis
z axis
波导中传输的导模在芯层外的倏逝场由于相互作用产生耦合，引起波导间模式功 率的相互转移。
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模式耦合
同向耦合
模式耦合
导波模
应用实例：方向耦合器、Y分支、MZ
E(x, y) Em* (x, y)dxdy
2
功率耦合效率 m
Am 2
E(x, y) E*(x, y)dxdy
E(x, y) Em* (x, y)dxdy E(x, y) E*(x, y)dxdy
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光耦基础知识
应用场合
电机、电源控制 系统
电感 耦合 技术
共模差异和差分传输特 性 （变压器允许噪声 和信号频率重叠，但是 会呈现出噪声高共模阻 抗和信号低差分阻 抗。 ） 信号能量传输可以为近 100% 的效率
对外部磁场（噪声）的 磁化 数据运行长度 受限（变 压器允许的带宽内）
电力自动化、工业 测量、楼宇控制、 煤矿安全、安防消 防、智能交通、流 量计、运动控制、 电机控制、汽车车 体通讯、仪器仪表、 航天航空等
Avago器件示例：
Avago光耦
Avago光耦特点
• • • 产品种类多，涵盖各种封装、速率，多通道数供选择； 产品性能高：速度快（达到50MBd）、共模抑制能力强（达40kV/us）、低电压、低功耗、大工作 温度范围、有支持双电源电压产品。 主要的应用领域是在工业市场，包括工业网络、电机控制、输入输出隔离、配电系统以及交换式电 源等。同时在开拓新兴市场，包括消费类产品，如等离子显示器、空调、感应加热电磁炉、健身器 材、洗衣机等。
Speed
输出-传输延时、脉宽失真比和延时偏差
光耦速度：单位为Mbit/s，通常标识为MBd， 1MBd=1Mbit/s；
速度
单位为Mbit/s，通常标识为MBd， 1MBd=1Mbit/s；
低速型号： 10Kbps及以下 中速型号： 100K－1M 高速型号： 1M以上
在通信应用中， DeviceNet规定了相对较低的数据速率，包括125kBd、250kBd和500kBd，传播 延迟要求小于40ns； CAN总线规定了125kBd低速和1MBd高速数据速率，但对传播延时没有严格的要 求； Profibus发送数据则要求在12MBd范围内，并规定了隔离器、收发器和连接本身 的PWD总延时。
光器件耦合原理
光器件耦合原理光器件耦合是指将光源和光接收器之间的光信号传输的一种技术。
在光通信领域中，光器件耦合是非常重要的一环，它直接关系到光信号的传输效率和质量。
光器件耦合原理主要包括光耦合的基本概念、光耦合的方法以及光器件耦合的优缺点等内容。
光耦合的基本概念是指将光源发出的光信号经过某种方法传输到光接收器上的过程。
在光通信系统中，光源可以是光纤、激光二极管或者其他光发射器件，而光接收器可以是光电二极管、光电探测器等光接收器件。
光源发出的光信号通过光耦合的方法传输到光接收器上，完成光通信的过程。
光耦合的方法主要包括直接耦合和间接耦合两种。
直接耦合是指光源和光接收器之间直接相连，光信号通过光纤或者其他光导体传输。
直接耦合的优点是传输效率高，传输距离远，传输速度快。
但是直接耦合也存在一些问题，例如光源和光接收器之间的对齐需要非常精确，光纤或者光导体的损耗也会影响光信号的传输质量。
间接耦合是指在光源和光接收器之间使用光耦合器件进行信号传输。
光耦合器件可以是光纤耦合器、光纤插件等。
间接耦合的优点是对光源和光接收器的对齐要求相对较低，光信号的传输损耗也较小。
然而，间接耦合也存在一些问题，例如耦合器件的成本较高，对光源和光接收器的封装要求较高。
光器件耦合的优点在于可以通过光耦合的方法将光信号传输到目标位置，完成光通信的过程。
光器件耦合的缺点在于对光源和光接收器的要求较高，耦合的精度需要保持在一定的范围内，否则会影响光信号的传输效率和质量。
此外，光器件耦合还需要考虑光信号的传输距离、传输速度以及光信号的传输损耗等因素。
总结起来，光器件耦合原理是光通信中非常重要的一环。
光耦合的基本概念是指将光信号从光源传输到光接收器的过程。
光耦合的方法包括直接耦合和间接耦合两种。
光器件耦合的优点在于可以实现高效、高质量的光信号传输，但是也存在一些问题需要解决。
光器件耦合的研究和应用对于光通信技术的发展具有重要的意义。
光电耦合技术
光电耦合技术
光电耦合技术（Photoelectric Coupling Technology）是一种将
光信号转换为电信号或将电信号转换为光信号的技术。
它利用了光电二极管或光电二极管阵列的特性，将光能转换为电能或将电能转换为光能。
光电耦合技术广泛应用于各个领域，包括通信、传感、光电子学、医疗设备等。
在通信领域，光电耦合技术被用于光纤通信中的光电转换，将光信号转换为电信号进行传输。
在传感领域，光电耦合技术可用于制作光电传感器，如光电二极管、光敏电阻等，用于检测光强、光谱等信息。
在光电子学领域，光电耦合技术可用于制作光电器件，如光电二极管、光电晶体管等，用于探测、放大或开关光信号。
在医疗设备领域，光电耦合技术可用于制作生物传感器，如血氧仪、心率监测器等，用于监测人体生理信号。
光电耦合技术具有高速、低功耗、低噪声、高灵敏度等优点，因此在现代电子技术中得到了广泛的应用。
随着光电耦合器件的不断发展和改进，其应用范围还将不断扩大，为各个领域带来更多的创新和发展机会。
光模块差分信号耦合
光模块差分信号耦合一、什么是光模块差分信号耦合？光模块差分信号耦合是指在光通信系统中，光模块间通过差分信号进行耦合传输的一种技术。
光模块是光通信系统中的核心组件，用于光信号的发射和接收。
差分信号耦合技术可以提高信号传输的稳定性和抗干扰能力，是光通信系统中常用的信号传输方式之一。
二、光模块差分信号耦合的原理光模块差分信号耦合的原理基于差分信号传输技术。
差分信号是指同时传输正负两个信号，通过正负信号的差值来表示原始信号的大小。
在光模块中，差分信号通过差分驱动电路产生，并通过光电转换器将电信号转换为光信号进行传输。
接收端的光电转换器将光信号转换为电信号，并通过差分放大电路恢复原始信号。
三、光模块差分信号耦合的优势光模块差分信号耦合具有以下优势：1.抗干扰能力强：差分信号传输可以有效抵抗共模干扰和电磁干扰，提高信号传输的稳定性和可靠性。
2.降低功耗：采用差分信号传输可以降低功耗，提高系统的能效。
3.提高传输速率：差分信号传输可以提高信号传输的速率，满足高速光通信系统的需求。
4.减小信号失真：差分信号传输可以减小信号的失真，提高信号的传输质量。
5.节省空间：差分信号传输可以减少线路的数量和长度，节省系统的空间。
四、光模块差分信号耦合的应用光模块差分信号耦合广泛应用于光通信系统中，包括光纤通信、光互连、光传感等领域。
具体应用包括：1.光纤通信：光模块差分信号耦合技术可以提高光纤通信的传输速率和稳定性，满足高速宽带通信的需求。
2.光互连：光模块差分信号耦合技术可以实现光互连系统中光模块之间的高速信号传输，提高系统的性能和可靠性。
3.光传感：光模块差分信号耦合技术可以应用于光传感系统中，实现对光信号的高灵敏度检测和传输。
五、光模块差分信号耦合的挑战和解决方案光模块差分信号耦合在实际应用中面临一些挑战，包括：1.信号失真：差分信号在传输过程中容易受到噪声和干扰的影响，导致信号失真。
解决方案包括增加信号的抗干扰能力和采用合适的信号调制技术。
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3! 引言
近年 来 随 着 光 通 信 行 业 的 迅 猛 发 展! 作为在光 通信中扮 演 重 要 角 色 的 光 探 测 器 也 得 到 很 快 的 发 常用的 高 速 光 探 测 器 模 块 由 探 测 芯 片 如 / 展8 ; 3 或; 在芯片封装的 ' ( 和放大电路及偏置电 路 组 成 8 过程中 ! 光到芯片光敏面的耦合起着重要的作用 ! 耦 合效率的大小直接 影 响 器 件 后 续 性 能 8 目前光探测 一种是应用于 器的封装中采用的 耦 合 方 式 有 两 种 $ 侧面进光的芯片 ! 即光从侧面直接或者通过透镜与 芯片实现耦合 & 另一种是应用于光敏面朝上或者朝 下的芯片 ! 这种耦 合 方 式 是 利 用 倾 斜 端 面 光 纤 使 水 平入射的光通过斜 面 反 射 垂 直 入 射 ! 并通过透镜到 达芯片光敏面上实现耦合 8 随着 技 术 的 发 展! 高速光探测器芯片的尺寸越 来越小 ! 光敏面的面积也相应变小 ! 为了保证耦合效 率! 一般都会在芯 片 上 方 加 工 透 镜 以 提 高 芯 片 接 受 光的面积 8 倾斜端 面 光 纤 的 耦 合 方 式 解 决 了 正 面 或 与侧面耦合的方式相 者背面入光芯片的 耦 合 问 题 ! 比! 它在封装过程 中 的 合 理 性 . 可 靠 性 都 比 较 高! 耦 合性能上回波损耗 小 ! 所以它特别适用于高速光探 测器 中 正 面 入 光 的 / ; 3! ; ' ( 光接受芯片的光耦 合8 目前对倾斜端面的研究主要集中在研究倾斜端 ( R 面光纤的原理 ' 和把它当成封装的一个流程从 实验 !( 上研 究 其 对 最 终 耦 合 的 影 响 ' ! 并未给出耦合过程 中倾斜端 面 光 纤 的 移 动 对 耦 合 造 成 影 响 的 最 终 原
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图 R! 倾斜端面光纤工作原理示意图
1 N 8 R!; < N J > N 7 96 LF J 7 9 [ 9 J C 9 CL N : 9 < K B K
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半!导!体!学!报
第! "卷
) 见图 R! 光线 在 倾 斜 端 面 处 发 生 全 反 射 ! b " " Nd >& ! ) " 其入射角为 $ & 再根据全反射定理 b" " " Rd N# Bb ! 可最终确定可以在 端 面处 实 现 全 反 射 -R @ N J " R d#! 的 倾 斜 角8 实 际 单 模 光 纤 中! 取 -R dR ^ T W T! -! d 其倾斜角度为" R ^ T W! P ^ P f 8 BdT 光从 端 面 反 射 经 过 包 层 折 射 出 光 纤! 光纤包层 起着柱透镜的作用 ! 它把高斯型的圆光斑整型成椭 如图 ! 所示 " 以下各种描述坐标轴的选 圆光斑输出 ! 取均由图 ! 给出 # 8
摘要 高速光器件的封装工艺中 ! 光耦合占据重 要 的 地 位 8 文 中 针 对 一 种 高 速 光 探 测 器 中 常 用 的 光 耦 合 方 式, , , 倾斜端面光纤到倒装芯片的耦合 ! 提出了光纤耦合的 柱 透 镜 光 学 模 型 ! 并通过理论和光学软件模拟了各种封装工 艺条件对耦合效率的影响 8 模拟结果显示 ! 耦合效率的大小由光纤位置 . 芯片透镜 尺 寸 和 激 光 光 源 光 斑 形 状 共 同 决 定8 关键词 光探测器 & 倾斜端面光纤 & 耦合效率 & 耦合容许度 C C ; " "$$ ! P # 中图分类号 4 ( P # W ^ S T!!! 文献标识码 /!!! 文章编号 # ! W P [ T R $ $ ! # # $ # ! [ # ! $ W [ # W
B ! 倾斜端面光纤耦合的光学模型
柱透镜模型 B8 3! 倾斜端面光纤模型 光斑 形 状 会 影 响 耦 合 效 率 ! 所以有必要建立一 ( P 个模型来分析到达芯片的光斑形状 8 如图 R 所示 ' $ 光线 在 光 纤 内 部 以 " 根据全反射定 > 的 角 度 入 射! 理$ < > @ N J " > AF
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半!导!体!学!报
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高速光探测器模块中的耦合理论和模拟
P R ! P U 陈诗育R !王!钢 " # R 中山大学光电材料和技术国家重点实验室 ! 广州 !W R # ! $ W " # ! 中山大学光电和功能复合材料研究院 ! 广州 !W R # ! $ W # " P 中山大学物理工程与技术学院 ! 广州 !W R # ! $ W
耦合效率由光线 通 过 透 镜 到 芯 片 的 一 次 耦 合 ( R 和 光线在芯片表面接收的二次耦 合( 组 成 ! 其 中 光线 ! 由于接收器芯片的 和芯片表面接收的 耦 合 过 程 中 8 光敏面表面上镀了 抗 反 射 的 金 属 膜 ! 所以反射损耗 而且这一 部 分 耦 合 对 于 光 纤 左 右 移 动 耦 可以忽略 8 合效果基本是一样 的 ! 相当于多乘一个固定的耦合 在耦合过程 中 ! 不 影 响 总 体 趋 势8 而一次耦合 系数 ! 涉及到从光纤出来的光斑通过透镜以后能否到达芯 模拟显示它既跟光纤的位置有关系 ! 又跟透 片表面 ! 所以研究这个耦合效率对 镜的结构有密切的 关 系 ! 于具体的耦合工作有指导性意义 8
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" # Z [ ( M A ZM 光斑到达透镜以后 ! 通过透镜的会聚作用到达芯片 表面 ! 会聚作用将使整个光斑缩小 8 如果知道光纤离 芯片的距离 . 原始 高 斯 光 分 布 和 芯 片 上 方 透 镜 的 尺 寸就可以算出到达芯片的光斑的形状 8 B8 B! 光纤到芯片的耦合模型 耦合模型如图 P 所示 8 在上述耦合模型中 ! 总的
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第!期
陈诗育等 ! 高速光探测器模块中的耦合理论和模拟
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R 设模拟的参数为 -# A # + " ( " -$ A # + " ( * + " ! I % A" % + ( ( I % I 'B A $ ( I ! "# . A) % % % '@ A # " I* ( I @ A( % % 模拟结果如图 T 所示 8
图 !! 柱透镜的作用
1 N 8 !!. 6 7 96 L> 7 N J C < N > F 7 7 9 J @ K D
入射 的 光 线 由 反 射 斜 面 垂 直 入 射 到 包 层 中! 柱 透镜的作用在于把 圆 光 斑 椭 圆 化 ! 当垂直入射的光 线处于过光纤轴 线 的 平 面 如 图 所 示 的 - 平 面 时 ! 光 线不发生弯曲 ! 而其他地方的光线会在曲面处发生 设光纤包层 的 半 径 为 *! 高 斯 光 的 半 径 为 Z= 折射 8 平面 & 即在 该平 面 内 垂 M 与- 平 面重合 ! AZM AZ ! 直入射的光线不发生偏折 即 ZM 通过透 镜以 后 还 是 由几何关系可以知道 $ ZM 8 Z= ! " # < > @ N J -$ @ N J @ N J $ " " " N AF NA% % * 光纤离芯片上 方 透 镜 的 距 离 为 .! 则到达透镜的光 斑大小为 $ = 方向的半径为 $ Z [ > 6 @ ? F J" " " = AZ= @ " N# # .B*@* # " # b P " N 即$
图 W! 模拟结果
1 N 8 W!. 9 @ A 7 ?6 L @ N I A 7 F ? N 6 J K
图 T! 模拟结果
1 N 8 T!. 9 @ A 7 ?6 L @ N I A 7 F ? N 6 J K
从图 T 可 以 看 出 按照图P的模型实现光纤耦 合时 可 以 获 得 M 和= 方 向 接 近 ! # I 的耦合容许 % 度8 把从光纤出射的光当成椭 B8 B8 B! 椭圆高斯光处理 圆高斯光处理 同样如图 P 的模型所示 此 时 M = 的耦合效率 R T 发生改变 不再相同 根据耦合理论 # # $ 'BB $ $ ) $ 9 ` = Z= @$ # = A #@ B ( Z= ' @ # B $ $ # $ $ # $ 9 < L $ 'B @ = @# ZM C = *
$ U 通信作者 8 )I F N 7 @ ? @ V F J F N 7 8 @ @ A 8 9 C A 8 > J !I K K D 收到 ! # # Q [ # Q [ ! P ! # # Q [ # S [ # Q 定稿 !!
本文建立了封装 过 程 中 光 纤 到 芯 片 耦 合 的 光 学 因8 模型 , , , 柱透镜模型 ! 指出光纤左右移动对耦合的 导 不同影响原因是光 斑 经 过 包 层 折 射 后 被 椭 圆 化 ! 致了在光纤偏移时 ! 左右的耦合容许度不一样 8 本文 还从理论上分析和模拟了各种因素对耦合效率的影 并借助光学软件 的 模 拟 得 到 了 一 系 列 对 生 产 工 响! 艺具有指导意义的结论 8