《光電子技術(shù)》課程設(shè)計(jì)對(duì)稱平板波導(dǎo)的模式計(jì)算

1、課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級(jí)： 電子0901班 指導(dǎo)教師： 工作單位： 信息工程學(xué)院 題 目: 初始條件：計(jì)算機(jī)、beamprop軟件要求完成的主要任務(wù): 1、課程設(shè)計(jì)工作量：2周2、技術(shù)要求：（1）學(xué)習(xí)beamprop軟件。（2）設(shè)計(jì)對(duì)稱平板波導(dǎo)的模式計(jì)算。（3）對(duì)對(duì)稱平板波導(dǎo)的模式計(jì)算進(jìn)行beamprop軟件仿真工作。3、查閱至少5篇參考文獻(xiàn)。按武漢理工大學(xué)課程設(shè)計(jì)工作規(guī)范要求撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告書。全文用a4紙打印，圖紙應(yīng)符合繪圖規(guī)范。時(shí)間安排：2012.6.25做課設(shè)具體實(shí)施安排和課設(shè)報(bào)告格式要求說(shuō)明。2012.6.25-6.28學(xué)習(xí)beamprop軟件，查閱相關(guān)資料，復(fù)習(xí)所設(shè)計(jì)內(nèi)容的基

2、本理論知識(shí)。2012.6.29-7.5對(duì)對(duì)稱平板波導(dǎo)的模式計(jì)算進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真工作，完成課設(shè)報(bào)告的撰寫。2012.7.6 提交課程設(shè)計(jì)報(bào)告，進(jìn)行答辯。指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日目錄摘要iabstractii1 緒論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 beamprop軟件73.1軟件簡(jiǎn)介73.2 對(duì)稱平面波導(dǎo)的beamprop仿真設(shè)置74 平面波導(dǎo)仿真圖134.1 波導(dǎo)結(jié)構(gòu)觀察134.2 波導(dǎo)傳輸仿真134.3 不同模式仿真圖145 總結(jié)17參考文獻(xiàn)18摘要平面光波導(dǎo)，英文縮寫plc是英文planar li

3、ghtwave circuit的縮寫，翻譯成中文為：平面光波導(dǎo)(技術(shù))。所謂平面光波導(dǎo)，也就是說(shuō)光波導(dǎo)位于一個(gè)平面內(nèi)。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beamprop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：對(duì)稱平板波導(dǎo)的模式計(jì)算，beamprop abstract planar waveguide, abbreviations plc is the abbreviation of english planar lig

4、htwave circuit, translated into chinese for: planar waveguide (technology). the so-called planar waveguide, that is optical waveguide is located in a plane within. just as we are familiar with the single circuit board, all circuit are located in base board of a plane within. this paper theoretically

5、 symmetry planar wave-guide model calculation, the use beamprop software simulation, explores the symmetric planar wave-guide pattern classification and characteristics, obtain the simulation characteristics and some simulation diagram, verify the related theory, and deepened to the symmetry of plan

6、ar wave-guide the understanding of mode.keywords: symmetrical planar wave-guide model calculation, beamprop1 緒論平面光波導(dǎo)，英文縮寫plc是英文planar lightwave circuit的縮寫，翻譯成中文為：平面光波導(dǎo)(技術(shù))。所謂平面光波導(dǎo)，也就是說(shuō)光波導(dǎo)位于一個(gè)平面內(nèi)。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。因此，plc是一種技術(shù)，它不是泛指某類產(chǎn)品，更不是分路器！ 我們最常見的plc分路器是用二氧化硅(sio2)做的，其實(shí)plc技術(shù)所涉及的材料非常廣

7、泛，如玻璃/二氧化硅(quartz/silica/sio2)、鈮酸鋰(linbo3)、iii-v族半導(dǎo)體化合物(如inp, gaas等)、絕緣體上的硅(silicon-on-insulator, soi/simox)、氮氧化硅(sion)、高分子聚合物(polymer)等。 基于平面光波導(dǎo)技術(shù)解決方案的器件包括：分路器(splitter)、星形耦合器(star coupler)、可調(diào)光衰減器(variable optical attenuator, voa)、光開關(guān)(optical switch)、光梳(interleaver)和陣列波導(dǎo)光柵(array waveguide grating,

8、awg)等。根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)合的需求(如響應(yīng)時(shí)間、環(huán)境溫度等)，這些器件可以選擇不同的材料體系以及加工工藝制作而成。值得一提的是，這些器件都是光無(wú)源器件，并且是獨(dú)立的。他們之間可以相互組合，或者和其他有源器件相互組合，能構(gòu)成各種不同功能的高端器件。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n

9、2，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(guò)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。

10、然而的z分量卻是唯一確定的，而且在一條光線的傳播過(guò)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(wèn)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(wèn)題，出現(xiàn)

11、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(méi)有反射,位相變化為 k0n1bc 從 bc 經(jīng)過(guò)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(lái)，產(chǎn)生的相位差為 故 即 從而得到tm波，與

12、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.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 beampr

13、op軟件3.1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。 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(lái)模擬分析光學(xué)器

14、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用戶感興趣的各種數(shù)值特性。3.2 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)所用到的是平面波導(dǎo)，因此在structure type 選多層膜結(jié)構(gòu)標(biāo)志 m

15、ultilayer。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） ，再單擊鼠標(biāo)右鍵，會(huì)彈出波導(dǎo)的設(shè)置菜單。通過(guò)設(shè)置變量可以方便的改變波導(dǎo)的位置以

16、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(guò)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3.4 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(guò)單擊左側(cè)工具

17、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(guò)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)

18、光路傳輸?shù)囊环N仿真，通過(guò)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(guò)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)仿真圖形。 圖4.3 模值為0時(shí)仿真圖形圖4.4所示為m=1時(shí)仿真圖形。 圖4.4 模值為1時(shí)仿真圖形圖4.5所示為m=2時(shí)仿真圖形。圖4.5 模值為2時(shí)仿真圖形由圖形分析比較可得，第一個(gè)模式