光波导弯曲损耗理论研究

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本文主要研究目标是分析特定波导(平面矩形波导和圆柱光波导)发生弯曲时的损耗,研究方法是通过建立光波导弯曲数学模型并基于这一数学模型来准确计算光波导在发生弯曲的情况下光信号在介质波导中的衰减。 基于Bessel函数数值求解得到了平面光波导的弯曲损耗,文中还给出了如何去补偿弯曲损耗的方法,这为减小光信号在弯曲波导中的衰减非常有意义。 文中给出的有多层包层的标准单模光纤宏弯曲的损耗模型,这一损耗模型不仅可用于单层包层的单模光纤宏弯曲损耗的计算而且适合计算含多包层单模光纤宏弯曲损耗。而弯曲损耗系数主要通过求解等效直光纤的波动方程,此等效直光纤是将弯曲光纤的几何形变转换成折射率畸变得到的。 另外,通过研究本文给出了光波导弯曲衰减与光波导参量之间的准确关系,他们之间的关系表明光波导参数选取会直接影响弯曲损耗的程度,这种关系对弯曲损耗的补偿提供理论参考依据。 在单模光纤弯曲损耗的研究过程中发现传统理论模型是将弯曲光纤看作只有两层,即芯层和无限宽的包层组成,基于这种模型得到弯曲损耗与弯曲半径或工作波长呈单调的关系;但是实际使用的单模光纤往往还包括有用于保护作用的光纤涂履层,而本文中基础理论模型是将弯曲光纤分为三层,即芯层、包层和涂履层,基于这种模型得到的弯曲损耗与弯曲半径或工作波长等光纤参量之间非成线性。最后我们还将单包层或涂履层推广到多包层或涂履层单模光纤的弯曲损耗中,这为实际使用的单模光纤理论计算弯曲损耗提供了一种方法。 为了解释损耗振荡现象,文中首先建立一个理论数学模型。基于这个数学模型运用耦合理论分析由弯曲损耗引起的Whispering-gallery模和芯径中的基模之间发生耦合从而导致损耗的振荡现象。同时得出了同步耦合对应于能量耦合回基模的最大值,所以此时弯曲损耗为最小值,而当异步耦合时弯曲损耗为最大值。
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