单模光波导受限衍射光束参量分析

【摘要】： 全光通信网是当前与未来发展的主要方向之一,光信号处理、光电子集成、光纤传感器及传感系统等多种技术得到了迅速发展,并在很多领域中得到了广泛的应用,介质光波导是这些器件和系统研究设计的基础。因此,本文研究了多量子阱光波导与单模光纤端面衍射光束的特性及其光束参量,为介质光波导在集成光学器件中的应用提供理论支持和指导。 在傍轴条件下,以对称结构的多量子阱光波导为研究对象,分析了在多量子阱光波导衍射端面加上狭缝对出射光束进行限制的远场衍射场分布。计算出衍射光束的半值全角宽度、振幅下降到1/e的远场发散角、光束传输因子M~2、近场模场半宽度、远场发散角分别随狭缝半宽度变化的曲线。为了方便分析和计算,采用曲线拟合的方法,拟合了半值全角宽度、振幅下降到1/e的远场发散角、近场模场半宽度各自随狭缝半宽度变化的曲线,计算出拟合引起的相对误差,评价拟合的精确度。分别用半值全角宽度和振幅下降到1/e的远场发散角分析了二阶矩法、微分算子法、匹配效率法三种高斯近似的合理性以及精确性。基于波导端面出射光束的M~2因子接近于1,提出对衍射远场的振幅分布高斯近似,采用最大匹配效率法得到其高斯近似的远场发散角。 推导出单模光纤在圆孔限制下衍射光束远场的振幅分布,并基于此分析了衍射光束的半值全角宽度、振幅下降到1/e的远场发散角、光束传输因子、近场模场半宽度、远场发散角分别随圆孔归一化半径变化的曲线,并拟合出各自随圆孔归一化半径的函数表达式,计算出拟合引起的相对误差曲线,分析了拟合的精确度。采用衍射远场分布半值全角宽度和振幅下降到1/e的远场发散角分析了二阶矩法、微分算子法、匹配效率法三种高斯近似的合理性和精确性。 基于单模光纤衍射远场分布解析函数表达式,分析了单模光纤衍射光束的束内功率为50%和86.5%的远场发散角各自随光纤归一化频率变化的曲线,拟合出各自曲线的函数表达式。计算出拟合引起的相对误差,评价了拟合的精确性与合理性。因二阶矩算法和微分算子算法确定的远场发散角角半径存在差异,提出采用匹配效率法计算远场发散角角半径,计算出远场发散角角半径与光纤归一化频率的关系曲线,并拟合出其函数表达式,应用相对误差分析了拟合的精确度。 这些结论,在一定范围内为分析和计算介质光波导衍射光束提供了理论支持。