移动通信中的“波导效应”及其解决方案
在移动通信中，当手机信号在两侧都是楼房的街道中传播时，信号以反射方式前进，称之为“波导效应”。当手机收到这种因为波导效应，强弱不同并且到达时间也不同的信号的时候会造成通话质量差甚至掉话。
频率越高的无线点播的波长越短，而波长越短则在当遇到在物体时，在其表面越有可能发生镜面反射。当信号在狭长的地方传播，比如两侧是规则楼房的街道，或者是峡谷、隧道、长走廊等等环境中传播，其信号会不停地进行反射，而在手机通讯中，反射的信号和直射的信号会同时被一个手机接收到，对于手机会造成识别困难，通话质量较差等情况。这种现象在大城市中尤为多见。在高大的建筑物旁边打电话可能接收到的信号会差很远，另外在隧道中经常会出现无法通话的现象。正是由于波导效应的结果使得沿传播方向的街道上信号增强，垂直于传播方向的街道上信号减弱，两者有时候会相差10dB甚至更多。这种现象在离基站距离越远，减弱程度就越小，隧道覆盖会存在波导效应，微波传输也会存在波导效应，波导效应衰落的比较快。
一般在长距离传输时候，增加覆盖会有效改善这一现象，不会导致信号在越区时候传播了很长距离，却无法进行切换导致掉话。如在张家界国
家森林公园中著名景点武陵源附近的峡谷中的波导效应的难题，园区采用了蜂信通的信号覆盖方案，有效确保游客正常通信，让游客们在游园的同事享受良好的手机信号和无线网络的服务。
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波导-微带转换电路设计 姓名：学号： 一、技术指标 1)工作频率：26.5~40GHz 2)输入/输出驻波比：<1.2 3)插入损耗：<1.0dB 二、理论分析 随着微波毫米波技术的飞速发展，微波集成电路在各个方面得到了广泛应用。在毫米波频段，主要的传输线有波导和平面传输线两种。随着平面传输媒介的研究发展，混合集成电路、单片集成电路应用的日趋广泛，微带电路已在越来越多的场合取代金属空波导，成为微波、毫米波电路的重要传输线。然而，目前许多毫米波测试系统和器件仍采用金属空波导。因此，如何实现低损耗的波导与微带线的转换就成了微波毫米波技术研究的重要内容。 目前常用的微带－波导探针过渡的方式有两种，都是将微带探针从波导宽边的中心插入，一种是介质面垂直与波导传输方向，称为H面探针，如图1所示，另一种介质面平行于波导传输方向，称为E面探针，如图2所示。 图1 H面探针图2 E面探针 微带探针转换是目前应用最为广泛的波导一微带过渡形式并且它有明显的优点。它的插人损耗低,回波损耗小,具有较大频宽,且其结构紧凑,加工方便,装卸容易。本文采用H面微带探针转换的结构。探针从波导宽面插入，并且探针平面与波导窄面垂直。微带过渡段我们采用渐变结构。通过优化探针插入深度d，微带变换器的长度1 s s，波导的微带插入处到波L，探针和微带变换器各自宽度,1 导短路处的距离L，得到满足指标的结果。
一、 设计过程： （1） 利用ADS 软件里的微带计算工具得出中心频率为33.5GHz 处的微带的宽 度0.77Sx mm =，如图3所示。 图3 50欧姆微带线宽 （2） 在HFSS 中建立仿真模型如图4所示，包括微带金属条，微带基板，以及 包围空气腔三部分。利用对称性以YZ 面为对称面切掉一半可以减少计算时间。 图4 仿真模型 （3） 设置三部分的材料属性，其中微带金属条为PEC ，微带基板为 Duriod5880（厚度0.254mm =，相对介电常数 2.2=）。包围空气
基于ＡＷＧ的平面光波导技术 采用平面光波導(Planar Lightwave Circuit,PLC)技术制作的阵列波导光栅(Arrayed Wave-guide Grating, AWG)是应用于光网络中的支撑技术波分复用(Wave Division Multiplexing, WDM)的重要器件。本文介绍了国内外AWG的应用现状和发展前景。 标签：平面光波导阵列波导光栅波分复用 1 平面光波导(Planar Light Circuit,PLC)技术的市场分析 伴随着光通信的发展,在金融危机影响下的亚太地区正成为全球光通信市场中最活跃的一部分,目前所面临的问题主要有:①运营商投资重心从SONET/SDH 转移到WDM的趋势将会持续高涨;②3G网络正式商用化带动了移动与固网宽带市场新旧技术的转换;③受市场驱动和政策面的影响,光纤到户(Fiber to the Home, FTTH)更加深入市场;④系统设备商们将持续兼并收购,以实现技术优势和资源整合。 基于PLC技术开发的光器件在光网络的组网中占据重要地位。波分复用(Waveguide Division Multiplexing, WDM)系统是当前最常见的光层组网技术,它通过复用/解复用器实现多路信号传输。早期的WDM系统并没有实现真正意义上的光层组网,难以满足业务网络IP化和分组化的要求,这种情况直到可重构光分插复用器(Reconfigurable Optical Add Drop Multiplexer, ROADM)的出现才得以改善。平面光波导ROADM是近年来广泛采用的ROADM子系统之一。PLC的ROADM上下路通道是彩色光,这意味着只有预定义的彩色波长可以在每个端口上下,也可以配合可调滤波器和可调激光器使用。由于PLC的集成特性,使其成为低成本的ROADM解决方案之一。目前的光波导,一般都是以玻璃、LiNbO3、GaAs 单晶等做衬底,再用扩散或外延技术制成的。PLC可以集成多种器件,例如:韩国的Byung Sup Rho等人用PLC研制的WDM双向模块[1],我国的浙江大学也研制出一种利用PLC的高集成化的PMD补偿器[2][3]。 2 AWG的结构及其工艺简介 阵列波导光栅(Arrayed Waveguide Grating, AWG)是第一个将PLC技术商品化的元器件。它是基于干涉原理形成的波分复用器件,通过集成的AWG可以实现波长复用和解复用,这种技术已被用于WDM系统中。目前平面波导型WDM器件有多种实现方案,其做法为在硅晶圆上沉积二氧化硅膜层,再利用光刻工艺(Photolithography)及反应式离子蚀刻法(RIE)制作出AWG。该类器件通路数大、紧凑、易于批量生产,但带内频响尚不够平坦。由于AWG采用与一般半导体相同的制作过程,多通道数与低通道数的制作成本相差不多,但更适合生产,而且整合度较高,因此应用在DWDM上具有相当的潜力。北美市场在2008年初呈现活跃状态,比如:美国加州的PLC设备供应商ANDevices在一月份签订协议,提供价值$13.5百万的产品给FTTH发展商Enablence Technologies Inc[4]。在我国,以PLC
21世纪，随着通信技术及其业务的飞速发展，尤其是因特网的迅速崛起，人们对数据的需求也急剧增加，对通信网的宽带提出了更高的要求，传统的通信技术已经很难满足不断增加的通信容量的需求。光纤通信技术凭借其巨大的潜在宽带资源，成为支撑通信业务量增长的重要通信技术之一。 波分复用（WDM wavelength division Multiplexing）技术是允许在一根光纤上面传输多路相互独立的波长带，这样便可提供多路通道和高的多的通信容量，使得通信容量随可复用波长的数目成倍的增长。在光纤通信中，波分复用系统中经历着从点到点系统到透明光网络的转变，经历着从以往的电光转换到全光交换的装变，密集波分复用（DWDM，dense wavelength division multiplexing）已成为当今光纤通信的首选技术，尤其在长距离、骨干网中已获得广泛的应用。 阵列波导光栅（AWG，arrayed waveguide grating）器件是一种角色散型无源器件，它基于平面光回路技术（PLC，planar light-wave circuit）。与其它波分复用器件相比，AWG器件具有设计灵活、插入损耗低、滤波性能好、长期稳定、易与光纤耦合等优点。此外，AWG还比较容易与光放大器、半导体激光器等有源器件结合，实现单片集成，因此AWG成为DWDM光网络中最理想的器件，是当今研究热点。 中国市场的光通信芯片主要依赖外国供应商。在PON核心芯片方面，基本没有国内厂商。EPON芯片商主要有四家，包括Cortina、PMC- Sierra、Teknovus （被Broadcom收购）以及中国厂商Opulan，但Opulan已于2010年7月被Atheros 收购。GPON芯片提供商则相对较为分散，包括Broadlight、PMC-Sierra、Broadcom、Marvel、Cortina、Infineon、Ikanos等近十家厂商。在光通信收发芯片领域，主要有Phyworks、Mindspeed、Vitesse等供应商。Phyworks，全球最大的无源光网络用户端光模块的芯片供应商，在中国每月各类芯片出货量在200万片左右。基于平面光波导技术的PLC芯片同样主要来自进口，包括NTT Electronics、Hitachi Cable、Neo Photonics、JDS Uniphase、Teem、Wooriro等公司。在光有源器件芯片方面，2.5Gb/s及以下速率的LD芯片、APD芯片大部分依赖进口。 阵列波导光栅（AWG）波分复用器是光通信密集波分复用系统的关键器件，在功能上它可以用作波分复用解复用、光路分插复用、光交叉连接、波长路由及波长检测；在性能上具有波长间隔小，信道数多、输出平坦、插入损耗小、串扰
课程设计任务书 学生姓名：专业班级： 指导教师：工作单位： 题目: 初始条件： 计算机、beamprop软件 要求完成的主要任务: 1、课程设计工作量：2周 2、技术要求： （1）学习beamprop软件。 （2）设计对称平板波导的模式计算。 （3）对对称平板波导的模式计算进行beamprop软件仿真工作。 3、查阅至少5篇参考文献。按《武汉理工大学课程设计工作规范》要求撰写设计报告书。全文用A4纸打印，图纸应符合绘图规范。 时间安排： 2012.6.25做课设具体实施安排和课设报告格式要求说明。 2012.6.25-6.28学习beamprop软件，查阅相关资料，复习所设计内容的基本理论知识。 2012.6.29-7.5对对称平板波导的模式计算进行设计仿真工作，完成课设报告的撰写。 2012.7.6 提交课程设计报告，进行答辩。 指导教师签名：年月日 系主任（或责任教师）签名：年月日
目录 摘要................................................................................................................................. I Abstract ......................................................................................................................... II 1 绪论. (1) 2原理分析 (2) 2.1 均匀介质薄膜波导 (2) 2.2 平面光波导 (3) 2.3 平板波导的波动理论 (5) 3 BeamPROP软件 (7) 3.1软件简介 (7) 3.2 对称平面波导的BeamPROP仿真设置 (7) 4 平面波导仿真图 (13) 4.1 波导结构观察 (13) 4.2 波导传输仿真 (13) 4.3 不同模式仿真图 (14) 5 总结 (17) 参考文献 (18)
平面波导技术及器件发展动态 2004-08-22吴国锋中国电子科技集团第34研究所 摘要本文介绍了平面波导技术及器件的发展情况，并概要指出了平面波导光器件的市场前景和发展方向。 关键词PLC、Polymer、InP、AWG 1概述 光波导是集成光学重要的基础性部件，它能将光波束缚在光波长量级尺寸的介质中，长距离无辐射的传输。平面波导型光器件，又称为光子集成器件。其技术核心是采用集成光学工艺根据功能要求制成各种平面光波导，有的还要在一定的位置上沉积电极，然后光波导再与光纤或光纤阵列耦合，是多类光器件的研究热点。 2技术种类 按材料可分为四种基本类型：铌酸锂镀钛光波导、硅基沉积二氧化硅光波导、InGaAsP/InP光波导和聚合物（Polymer）光波导。 LiNbO3晶体是一种比较成熟的材料，它有极好的压电、电光和波导性质。除了不能做光源和探测器外，适合制作光的各种控制、耦合和传输元件。铌酸锂镀钛光波导开发较早，其主要工艺过程是：首先在铌酸锂基体上用蒸发沉积或溅射沉积的方法镀上钛膜，然后进行光刻，形成所需要的光波导图形，再进行扩散，可以采用外扩散、内扩散、质子交换和离子注入等方法来实现。并沉积上二氧化硅保护层，制成平面光波导。该波导的损耗一般为0.2-0.5dB/cm。调制器和开关的驱动电压一般为10V 左右；一般的调制器带宽为几个GHz，采用行波电极的LiNbO3光波导调制器，带宽已达50GHz以上。 硅基沉积二氧化硅光波导是20世纪90年代发展起来的新技术，主要有氮氧化硅和掺锗的硅材料，国外已比较成熟。其制造工艺有：火焰水解法（FHD）、化学气相淀积法（CVD，日本NEC公司开发）、等离子增强CVD法（美国Lucent公司开发）、反应离子蚀刻技术RIE多孔硅氧化法和熔胶－凝胶法（Sol-gel）。该波导的损耗很小，约为0.02dB/cm。 基于磷化铟（InP）的InGaAsP/InP光波导的研究也比较成熟，它可与InP基的有源与无源光器件及InP基微电子回路集成在同一基片上，但其与光纤的耦合损耗较大。 聚合物光波导是近年来研究的热点。该波导的热光系数和电光系数都比较大，很适合于研制高速光波导开关、AWG等。采用极化聚合物作为工作物质，其突出优点是材料配置方便、成本很低。同
波导分析方法与BPM 随着光波导器件及各类半导体光电子器件的发展，人们对理解光波在诸如光波导、光纤等光电子器件中的行为，成功设计光电子器件，了解光电子器件的光学性能的要求越来越迫切。在做波导器件的光波模式和传输特性的分析时，要从电磁波理论出发，通过求解波动方程得到结果。随着器件设计的复杂化，以及非均匀、非线性、各向异性等材料在光电子器件中的应用，用解析的方法精确求解Maxwell方程组在此类器件中已难以实现。即便有时在对器件做出一定的简化之后，可以得到近似解析解，但这种近似解析解并不能对器件的设计及性能分析提供足够的理论依据。因此，用数值方法对Maxwell方程组进行精确求解就变得势在必行[1]。事实上，计算机数值模拟已正在逐渐成为新型光波导器件性能分析及优化设计所必不可缺的一个技术环节。光波导已经广泛的应用于集成光学中，为了计算波导中的光强分布，了解电磁波是如何通过波导的，必须求解Maxwell 方程组。然而只有在波导结构极其简单的情况下才有解析解，在大多数情况下只有得到近似的数值解。因此数值方法是研究波导的一种最有效的方法。目前已经有很多种光波导的分析与设计方法，常用的有：有限元法(FEM)、有限差分法(FDM)、有限时域差分法(FD-TDM)、光束传播法(BPM)、有效折射率法、傅里叶展开法等。这些方法中光束传播法是目前应用较为广泛的数值方法之一。 光束传播法（Beam Propagation Method，BPM）最早由Feit和Fleck于1977 提出[2]，后来将光束传播法应用于计算波导中的光传输中。经过光束传播法的不断改进与发展，它现在己经成为光波导分析中最常用的算法之一。 BPM法是从亥姆霍兹(Helmholtz)方程出发，在一定体积内和一段时间上对连续电磁场的数据取样。Helmholtz方程是波动方程是Maxwell方程在特定条件下的特殊形式，是在某一频率下的特定方程，是一个二阶的非线性偏微分方程。由于Helmholtz方程是频域方程，方程可以解出在某一频率下的稳态解，它比有限时域差分法节省了大量的存储空间。 BPM法同样也具有简单直观、容易掌握等优点。它能很形象地反映场在波导
?随着光纤通信产业的复苏以及FTTX的发展，光分路器（Splitter）市场的春天也随之到来。 目前光分路器主要有两种类型：一种是采用传统光无源器件制作技术（拉锥耦合方法）生产的熔融拉锥式光纤分路器；另一种是采用集成光学技术生产的平面光波导（PLC）分路器。PLC分路器是当今国内外研究的热点，具有很好的应用前景，然而PLC分路器的封装是制造PLC分路器中的难点。 PLC分路器内部结构。 PLC分路器的封装是指将平面波导分路器上的各个导光通路（即波导通路）与光纤阵列中的光纤一一对准，然后用特定的胶（如环氧胶）将其粘合在一起的技术。其中PLC分路器与光纤阵列的对准精确度是该项技术的关键。PLC分路器的封装涉及到光纤阵列与光波导的六维紧密对准，难度较大。当采用人工操作时，其缺点是效率低，重复性差，人为因素多且难以实现规模化的生产等。 PLC分路器实物照片。 PLC分路器的制作 PLC分路器采用半导体工艺（光刻、腐蚀、显影等技术）制作。光波导阵列位于芯片的上表面，分路功能集成在芯片上，也就是在一只芯片上实现1、1等分路；然后，在芯片两端分别耦合输入端以及输出端的多通道光纤阵列并进行封装。其内部结构和实物照片分别如图1、2所示。 与熔融拉锥式分路器相比，PLC分路器的优点有：（1）损耗对光波长不敏感，可以满足不同波长的传输需要。（2）分光均匀，可以将信号均匀分配给用户。 （3）结构紧凑，体积小，可以直接安装在现有的各种交接箱内，不需留出很大的安装空间。（4）单只器件分路通道很多，可以达到32路以上。（5）多路成本低，分路数越多，成本优势越明显。 同时，PLC分路器的主要缺点有：（1）器件制作工艺复杂，技术门槛较高，目前芯片被国外几家公司垄断，国内能够大批量封装生产的企业很少。（2）相对于熔融拉锥式分路器成本较高，特别在低通道分路器方面更处于劣势。 PLC分路器封装技术
基于AWG的平面光波导技术 摘要：采用平面光波导（Planar Lightwave Circuit,PLC）技术制作的阵列波导光栅(Arrayed Wave-guide Grating, AWG)是应用于光网络中的支撑技术波分复用(Wave Division Multiplexing, WDM)的重要器件。本文介绍了国内外AWG的应用现状和发 展前景。 关键词：平面光波导阵列波导光栅波分复用 中图分类号：TN913.7 文献标识码：A 1 平面光波导（Planar Light Circuit，PLC）技术的市场分析 伴随着光通信的发展，在金融危机影响下的亚太地区正成为全球光通信市场 中最活跃的一部分，目前所面临的问题主要有：①运营商投资重心从SONET/SDH 转移到WDM的趋势将会持续高涨；② 3G网络正式商用化带动了移动与固网宽 带市场新旧技术的转换；③受市场驱动和政策面的影响，光纤到户（Fiber to the Home, FTTH）更加深入市场；④系统设备商们将持续兼并收购，以实现技术优势 和资源整合。 基于PLC技术开发的光器件在光网络的组网中占据重要地位。波分复用（Waveguide Division Multiplexing, WDM）系统是当前最常见的光层组网技术，它 通过复用/解复用器实现多路信号传输。早期的WDM系统并没有实现真正意义上 的光层组网，难以满足业务网络IP化和分组化的要求，这种情况直到可重构光分 插复用器（Reconfigurable Optical Add Drop Multiplexer, ROADM）的出现才得以改善。平面光波导ROADM是近年来广泛采用的ROADM子系统之一。PLC的ROADM上下路通道是彩色光，这意味着只有预定义的彩色波长可以在每个端口 上下，也可以配合可调滤波器和可调激光器使用。由于PLC的集成特性，使其成 为低成本的ROADM解决方案之一。目前的光波导，一般都是以玻璃、LiNbO3、GaAs单晶等做衬底，再用扩散或外延技术制成的。PLC可以集成多种器件，例如：韩国的Byung Sup Rho等人用PLC研制的WDM双向模块[1]，我国的浙江大学也 研制出一种利用PLC的高集成化的PMD补偿器[2][3]。 2 AWG的结构及其工艺简介 阵列波导光栅（Arrayed Waveguide Grating, AWG）是第一个将PLC技术商品 化的元器件。它是基于干涉原理形成的波分复用器件，通过集成的AWG可以实 现波长复用和解复用，这种技术已被用于WDM系统中。目前平面波导型WDM 器件有多种实现方案，其做法为在硅晶圆上沉积二氧化硅膜层，再利用光刻工艺（Photolithography）及反应式离子蚀刻法（RIE）制作出AWG。该类器件通路数大、紧凑、易于批量生产，但带内频响尚不够平坦。由于AWG采用与一般半导 体相同的制作过程，多通道数与低通道数的制作成本相差不多，但更适合生产， 而且整合度较高，因此应用在DWDM上具有相当的潜力。北美市场在2008年初 呈现活跃状态，比如：美国加州的PLC设备供应商ANDevices在一月份签订协议，提供价值$13.5百万的产品给FTTH发展商Enablence Technologies Inc[4]。在我国，以PLC技术支持的光器件在光电子器件中占有很大份额，光电子器件从芯片、封 装和模块这三方面关键技术来看，芯片、封装2.5Gb/s有大批量生产能力，模块 10Gb/s正在形成大规模生产能力，这跟发达国家相比还有一定差距，我国的企业 家们也正致力于开发低成本、高质量的完整产业链，用以生产包括PLC技术在内 的光电子产品[5]。 3 AWG应用现状及未来发展趋势
一、什么是波导以及它的参数有哪些 波导通常指的各种形状的空心金属波导管和表面波波导，由于前者传输的电磁波完全被限制在金属管内，称封闭波导；而后者引导的电磁波则被约束在波导结构的周围，又称开波导。被应用于微波频率的传输线，在微波炉、雷达、通讯卫星和微波无线电链路设备中用来将微波发送器和接收机与它们的天线连接起来。 因为波导是指它的端点间传递电磁波的任何线性结构。所以波导中可能存在无限多种电磁场的结构或分布，每个电磁场的波型与对应的传播速度肯定也不一样。会涉及到色散、传播时的损耗以及波导界面分布和它的特性阻抗。接下来我们就从这四点去分析它的参数。 色散特性：色散特性表示波导纵向传播常数与频率的关系，常用平面上的曲线表示。 损耗：损耗是限制波导远距离传输电磁波的主要因素。 场分布：满足波导横截面边界条件的一种可能的场分布称为波导的模式，不同的模式有不同的场结构，它们都满足波导横截面的边界条件，可以独立存在。它的两大类：电场没有纵向分量和磁场没有纵向分量。 特征阻抗：特征阻抗与传播常数有关。在幅值上反映波导横向电场与横向磁场之比。当不同波导连接时，特征阻抗越接近，连接处的反射越小，是量度波导连接处对电磁能反射大小的一个很有用的参量。 二、软波导与硬波导区别 软波导是微波设备和馈线间起缓冲作用的传输线。软波导内壁呈波纹结构，具有很好的柔软性，能承受复杂的弯曲、拉伸和压缩，因而被广泛用于微波设备和馈线之间的连接。软波导的电气特性主要包括频率范围、驻波、衰减、平均功率、脉冲功率；物理机械性能主要包括弯曲半径、反复弯曲半径、波纹周期、伸缩性、充气压力、工作温度等。下面我们来交接下软波导区别于硬波导哪些地方。 1)法兰：在许多安装和测试实验室应用中，往往很难找到具有完全合适的法兰、朝向，且 设计**的硬波导结构，如通过定制，则需要等待数周至数月的交付期。在设计、维修或更换部件等情形下，如此之长的交期必将引起不便。
平面波导光分路器技术 平面光波导(PLC)分路器技术 1(平面光波导技术和应 用 ................................................................. .. (2) 1.1 平面光波导材 料.................................................................. (2) 1.2 平面光波导工 艺.................................................................. (3) 1.3 平面光波导的应 用.................................................................. .. (4) 2 FTTH核心器件---光分路器的分类及介 绍 ................................................................. (6) 2.1熔融拉锥光纤分路器(Fused Fiber Splitter) .......................................................... . (6) 2.2 平面光波导功率分路器(PLC Optical Power Splitter) (7) 2.3 两种光分路器的总
结 ................................................................. (7) 3 全球FTTH大发展下的PLC光分路器产业现 状.................................................................. . (8) 3.1 国外FTTH发展现 状 ................................................................. . (8) 3.2 国FTTH光分路器观察:热点归热点市场归市 场 ................................................................. 15 平面光波导(PLC)分路器技术 1(平面光波导技术和应用 随着FTTH的蓬勃发展，PLC(Planar Lightwave Circuit,平面光路)已经成为光通 信行业使用频率最高的词汇之一，而PLC的概念并不限于我们光通信人所熟知的光分路器和AWG，其材料、工艺和应用多种多样，下面略作介绍。 1.1 平面光波导材料 PLC光器件一般在六种材料上制作，它们是:铌酸锂(LiNbO3)、?-?族半导 体化合物、二氧化硅(SiO2)、SOI(Silicon-on-Insulator, 绝缘体上硅)、聚合物 (Polymer)和玻璃，各种材料上制作的波导结构如图1所示，其波导特性如表2所示。 图1. PLC光波导常用材料