對(duì)稱平板波導(dǎo)的模式計(jì)算課程設(shè)計(jì)(論文)

1、目錄摘要iabstractii1 設(shè)計(jì)目的及任務(wù)要求11.1 設(shè)計(jì)目的11.2 任務(wù)要求11.3 軟件簡(jiǎn)介12原理分析22.1 均勻介質(zhì)薄膜波導(dǎo)22.2 平面光波導(dǎo)32.3 平板波導(dǎo)的波動(dòng)理論53 對(duì)稱平面波導(dǎo)的beamprop仿真設(shè)置74 平面波導(dǎo)仿真圖124.1 波導(dǎo)結(jié)構(gòu)觀察124.2 波導(dǎo)傳輸仿真124.3 不同模式仿真圖135 總結(jié)17參考文獻(xiàn)18摘要能夠引導(dǎo)光束的傳播，從而使光束的能量在橫的方向上受到限制，并使損耗和噪聲降到最小，這種器件通常稱為光波導(dǎo)，簡(jiǎn)稱波導(dǎo)光束在介質(zhì)中傳輸時(shí)，由于介質(zhì)的吸收和散射而引起損耗，由于繞射而引起發(fā)散，這些情況都會(huì)導(dǎo)致光束中心部分的強(qiáng)度不斷地衰減。因此，

2、有必要設(shè)計(jì)制作某種器件，它能夠引導(dǎo)光束的傳播，從而使光束的能量在橫的方向上受到限制，并使損耗和噪聲降到最小，這種器件通常稱為光波導(dǎo)，簡(jiǎn)稱波導(dǎo)。結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的波導(dǎo)是由三層均勻介質(zhì)組成的，中間的介質(zhì)層稱為波導(dǎo)層或芯層，芯兩側(cè)的介質(zhì)層稱為包層。芯層的介電常數(shù)比芯兩側(cè)包層的介電常數(shù)稍高，使得光束能夠集中在芯層中傳輸，因而起到導(dǎo)波的作用。這種波導(dǎo)的介電常數(shù)分布是陡變的，也稱為階梯變化的，常稱這種波導(dǎo)為平板波導(dǎo)。最簡(jiǎn)單的平板型光波導(dǎo)是由沉積在襯底上的一層均勻薄膜構(gòu)成，因而又叫做薄膜波導(dǎo)。正如大家所熟悉的單層電路板，所有電路都位于基板的一個(gè)平面內(nèi)一樣。本文從理論上推導(dǎo)了對(duì)稱平板波導(dǎo)的模式計(jì)算,利用beampr

3、op軟件仿真，探究了對(duì)稱平板波導(dǎo)的模式分類及各自特點(diǎn)，得到了其仿真特性和一些仿真圖，驗(yàn)證了相關(guān)理論，并且加深了對(duì)對(duì)稱平板波導(dǎo)的模式的理解。關(guān)鍵詞：波導(dǎo) 模式計(jì)算 仿真 abstract propagating light beams can be guided, so that the energy of the beam in the horizontal direction is restricted, and to minimize losses and noise, such devices commonly referred to as an optical waveguide, t

4、he waveguide shortwhen the beam propagating in a medium, the medium due to absorption and scattering caused by the loss, due to the divergence caused by diffraction, these conditions could result in the central portion of the intensity of the beam attenuation constant. therefore, it is necessary to

5、design a device which can guide the propagating light beams, so that the energy of the beam in the horizontal direction is restricted, and to minimize losses and noise, such devices commonly referred to as an optical waveguide, the waveguide short . the simplest structure of the waveguide is formed

6、by three homogeneous medium, the dielectric layer is called an intermediate layer or a dielectric layer of the waveguide core layer on both sides of the core is called the cladding. dielectric constant than the dielectric constant of the core layer is clad on both sides of the core is slightly highe

7、r, so that the beam can be concentrated in the core layer transmission, and thus acts as guided waves. this distribution is steep waveguide dielectric constant change, also called step change, often referred to as a slab waveguide such a waveguide. the simplest type optical waveguide plate is deposi

8、ted on the substrate by a layer of a uniform thin film, which is also known as a thin film waveguide.as you are familiar with the single circuit board, all circuits are located within the same plane of the substrate. theoretically derived from the symmetric slab waveguide mode is calculated using be

9、amprop software simulation, explores the symmetrical slab waveguide pattern classification and their characteristics, got some of its characteristics and simulation diagram simulation to verify the theory, and deepened the symmetry understanding slab waveguide modes.keywords: computer simulation wav

10、eguide mode1 設(shè)計(jì)目的及任務(wù)要求1.1 設(shè)計(jì)目的培養(yǎng)較為扎實(shí)的光電子的理論知識(shí)及較強(qiáng)的實(shí)踐能力；加深對(duì)光電器件的選型及光路形式的選擇的了解；強(qiáng)化使用實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行電路的調(diào)試檢測(cè)能力。1.2 任務(wù)要求（1）學(xué)習(xí)rsoft軟件。（2）設(shè)計(jì)一個(gè)對(duì)稱平板波導(dǎo)。（3）利用rsoft軟件對(duì)該光路進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)、模擬和仿真工作。1.3 軟件簡(jiǎn)介 rsoft是一款非常實(shí)用的光波導(dǎo)仿真軟件。其中包含了bpm,fdtd,fem等多種算法，使得它能夠適用于各種不同要求場(chǎng)合。本課程主要使用rsoft算法集中的bpm算法對(duì)光波導(dǎo)和簡(jiǎn)單光波導(dǎo)器件進(jìn)行仿真計(jì)算，從而對(duì)光在波導(dǎo)中的傳輸有一定得了解。

11、 beamprop 是一個(gè)高度集成了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和模擬仿真的專業(yè)軟件，專用于設(shè)計(jì)集成光學(xué)波導(dǎo)元件和光路。此軟件由美國(guó)rsoft公司出品，1994年投入市場(chǎng)，被學(xué)院及產(chǎn)業(yè)公司的開發(fā)設(shè)計(jì)人員廣泛使用。此軟件使用先進(jìn)的有限差分光束傳播法 (finite-difference beam propagation method)來模擬分析光學(xué)器件。用戶界面友好，分析和設(shè)計(jì)光學(xué)器件輕松方便。其主程序?yàn)橐惶淄晟频挠糜谠O(shè)計(jì)光波導(dǎo)元件和光路cad設(shè)計(jì)系統(tǒng)，且可控制相關(guān)的模擬參數(shù)，如：數(shù)值參數(shù)、輸入場(chǎng)以及各種顯示、分析功能選項(xiàng)。另一功能為模擬程序，它可以在主程序內(nèi)或獨(dú)立執(zhí)行模擬分析工作，以圖形方式顯示域的特性以及

12、用戶感興趣的各種數(shù)值特性。2原理分析2.1 均勻介質(zhì)薄膜波導(dǎo)薄膜波導(dǎo)是最簡(jiǎn)單的光波導(dǎo)類型，對(duì)薄膜波導(dǎo)的分析，在光波導(dǎo)領(lǐng)域具有典型意義。另一方面，薄膜波導(dǎo)又是集成光學(xué)的技術(shù)基礎(chǔ)。波導(dǎo)結(jié)構(gòu)薄膜波導(dǎo)也稱平面介質(zhì)波導(dǎo)，其結(jié)構(gòu)如圖2.1所示，是由兩層低折射率介質(zhì)膜和中間夾有的一層高折射率介質(zhì)膜所組成的三層結(jié)構(gòu)。中間一層稱為芯層，折射率為n1，是光波傳播的通道，下面一層稱為襯底，折射率為n2，上面一層稱覆蓋層，折射率n3。上下兩層都是限制光線的阻擋層。為了保證光線在芯層的傳播，必須要求n1大于n2 和n3，一般設(shè)定n1n2 n3。zn3 復(fù)蓋層n1 芯層n2 襯底 圖2.1 薄膜波導(dǎo)示意圖x 波導(dǎo)光線 均

13、勻介質(zhì)波導(dǎo)的芯層光線沿直線傳播，經(jīng)與上下界面的反射和折射，形成鋸齒形光線。光線可分為兩種，滿足全反射條件的光線，始終被束縛在芯層內(nèi)，稱為束縛光線或?qū)Рü饩€，未滿足全反射條件的光線稱為折射光線或輻射光線，這種光線可穿過界面進(jìn)入襯底或覆蓋層。 導(dǎo)波條件 假定芯層的鋸齒形光線向z方向傳播，但是局部光線的指向卻有上傾和下傾兩種可能，即波矢量不是唯一確定的，其x方向分量具有雙值不確定性。然而的z分量卻是唯一確定的，而且在一條光線的傳播過程中始終保持不變以，這是一個(gè)重要的不變量，以表示，稱為傳播常數(shù)。因而（2.1）因?yàn)閷?dǎo)波光線必須滿足界面反射條件，即，所以傳播常數(shù)必須滿足以下條件 （2.2）(2.2)式被

14、稱為導(dǎo)波條件，適用于多種類型的波導(dǎo)。有的文獻(xiàn)定義參數(shù)為有效折射率(或用表示)，因而導(dǎo)波條件也可表示為 (2.3) 均勻介質(zhì)波導(dǎo)的缺點(diǎn)是存在多模色散問題，即不同光線之間存在傳播時(shí)間差。鋸齒形光線的傳播時(shí)間為，其中z為傳播距離，q為光線與z軸的夾角，因?yàn)槭艿饺瓷錀l件的限制，1，所以導(dǎo)波光線之間的最大時(shí)間差可表示為 (2.4)其中，為折射率相對(duì)偏差。 為了克服這種多模色散問題，出現(xiàn)了特殊設(shè)計(jì)的非均勻介質(zhì)波導(dǎo)。2.2 平面光波導(dǎo)按幾何光學(xué)概念，凡是滿足 的光線均可在波導(dǎo)中 低損耗傳輸。情況并非如此，只有某些分離的角的光線才能建起真正的有效傳播。其模式將由光波導(dǎo)參數(shù)方程及電磁場(chǎng)方程及邊界條件導(dǎo)出。這里

15、可以從平面波簡(jiǎn)單理論得到相同的結(jié)果。如圖2.2所示： 圖2.2 平面波導(dǎo)傳輸示意圖對(duì)平面波bb,cc同相位,可見由b到c ,由b到c所經(jīng)歷的相位差為2p 的整數(shù)倍. 從 bc 沒有反射,位相變化為 k0n1bc 從 bc 經(jīng)過上下兩次的反射,其附加位相為2f2,2f3 故相位差為：對(duì)te波，tm波是不同的。 將bc,bc用d與表示出來，產(chǎn)生的相位差為 故 即 從而得到tm波，與te波的相位差取值。 對(duì)于對(duì)稱平面光波導(dǎo)n1=n3。m=0時(shí)為最低模,m=1,m=2其模式結(jié)構(gòu)如圖2.3所示。 圖2.3 m取不同值時(shí)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)2.3 平板波導(dǎo)的波動(dòng)理論 對(duì)于非對(duì)稱三層介質(zhì)光波導(dǎo)，假設(shè)光沿z方向傳輸，在x

16、.y方向上不受限制，那么它的電磁場(chǎng)表示成： 把它代入麥克斯韋方程： 得到電磁場(chǎng)的分量方程： 假設(shè)電磁場(chǎng)在y方向上不隨坐標(biāo)y變化，即 ，把這個(gè)關(guān)系代入方程，就可以得到電磁場(chǎng)的兩種模式：te模： tm模： 波動(dòng)方程： te模：把電場(chǎng)垂直于光的傳輸方向（也就是z軸），這種電磁場(chǎng)分布稱為橫電模。 tm模：把磁場(chǎng)垂直于光的傳輸方向（也就是z軸），這種電磁場(chǎng)分布稱為橫磁模。3 對(duì)稱平面波導(dǎo)的beamprop仿真設(shè)置1）新建仿真文件啟動(dòng)beamprop軟件，點(diǎn)擊左上角的“new circuit”按鈕，新建仿真文件。 點(diǎn)擊后彈出基本設(shè)置對(duì)話框如圖3.1所示， 波導(dǎo)的一些基本特性參數(shù)需要在此設(shè)定。 本實(shí)驗(yàn)所用到

17、的是平面波導(dǎo)，因此在structure type 選多層膜結(jié)構(gòu)標(biāo)志 multilayer。波導(dǎo)橫截面的尺寸結(jié)構(gòu)為6um* 6um，導(dǎo)光薄膜折射率為 1.5，由于是對(duì)稱平面波導(dǎo)，所以覆蓋層與襯底層折射率相同，且小于導(dǎo)光薄膜折射率，設(shè)定為1.4。圖3.1 波導(dǎo)參數(shù)設(shè)置界面 由于平面波導(dǎo)是三層結(jié)構(gòu)，其中導(dǎo)光薄膜是一層，故需要點(diǎn)擊edit layers進(jìn)一步對(duì)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)置，對(duì)話框如圖3.2所示，新添加一層薄膜。 圖3.2 薄膜層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2）繪制波導(dǎo)點(diǎn)擊beamprop窗口左邊的mode，繪制相應(yīng)形狀的波導(dǎo)。鼠標(biāo)左鍵，在任意另一處再單擊左鍵，即可畫出相應(yīng)的波導(dǎo)。將鼠標(biāo)移動(dòng)至波導(dǎo)上（紅色區(qū)域上） ，再單擊

18、鼠標(biāo)右鍵，會(huì)彈出波導(dǎo)的設(shè)置菜單。通過設(shè)置變量可以方便的改變波導(dǎo)的位置以及大小，如圖3.3所示，然后保存。圖3.3 繪制波導(dǎo)3）觀察路徑與激勵(lì)設(shè)置 設(shè)置路徑通過單擊左側(cè)工具欄中的“edit pathways”按鈕。 單擊后左側(cè)工具欄會(huì)變成路徑設(shè)置欄。點(diǎn)擊“new”按鈕，會(huì)新建一個(gè)路徑，再左鍵點(diǎn)擊我們畫好的波導(dǎo)，使路徑與波導(dǎo)相一致（此時(shí)波導(dǎo)會(huì)變綠色），然后再點(diǎn)擊“monitors”按鈕，會(huì)彈出一個(gè)小對(duì)話框，設(shè)置一個(gè)與路徑相匹配的探測(cè)器。本實(shí)驗(yàn)需要兩個(gè)探測(cè)器，一個(gè)作為光路探測(cè)，其type 為lauch power，如圖3.4所示；一個(gè)作為功率探測(cè)，其type 為wg power如圖3.5所示。圖3.

19、4 光路探測(cè)器設(shè)置 圖3.5 功率探測(cè)器設(shè)置 設(shè)置光源通過單擊左側(cè)工具欄中的“edit launch field”按鈕，如圖3.6所示 單擊后會(huì)彈出輸入光源的設(shè)置對(duì)話框。選取波導(dǎo)的基模即可。 圖3.6 電源設(shè)置4 平面波導(dǎo)仿真圖4.1 波導(dǎo)結(jié)構(gòu)觀察 利用beamprop可以進(jìn)行波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)建模與繪制，但輸入界面通過基本設(shè)置完成的光導(dǎo)繪制屬于俯視圖，利用軟件自帶的display index prifile可以更形象的生成橫界面圖，如圖4.1所示。 圖4.1 波導(dǎo)的橫截圖形4.2 波導(dǎo)傳輸仿真 波導(dǎo)作為一種傳輸介質(zhì)，我們所研究的就是其的傳輸特性，如果在制作之前可以模擬其傳輸特性，有利于信息的傳輸以及波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的改善，computation completed就是針對(duì)光路傳輸?shù)囊环N仿真，通過監(jiān)視器以及電源的設(shè)置，可以得到平面波導(dǎo)的光路傳輸圖，以及功率分析，如圖4.2所示。 圖4.2 光路傳輸仿真 由傳輸仿真圖可分析的，在平面波導(dǎo)中光路大體呈“之”字形，與理論分析的傳輸光路相似。4.3 不同模式仿真圖 由理論知識(shí)可知，平面波導(dǎo)，其對(duì)入射光具有選擇性，只有滿足導(dǎo)波條件才可以再波導(dǎo)中傳播，其滿足相位條件。不同模式，對(duì)用不同m值，通過beamprop軟件可得，不同m值似的仿真模型圖。圖4.3所示為m=0時(shí)仿真圖