对称平板波导.docx
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对称平板波导
课程设计任务书
学生姓名:
xxx专业班级:
电子0903
指导教师:
娄平工作单位:
信息工程学院
题目:
对称平板波导模式的计算
初始条件:
计算机、beamprop软件(或Fullwave软件)
要求完成的主要任务:
(包括课程设计工作量及其技术要求,以及说明书撰写等具体要求)
1、课程设计工作量:
2周
2、技术要求:
(1)学习beamprop软件(或Fullwave软件)。
(2)设计平板波导的模式计算
(3)对对称堆成平板波导进行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(或Fullwave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对平板波导进行设计仿真工作,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
AbstractII
1绪论1
2平板波导2
2.1平板波导简介2
3Beamprop介绍6
4仿真9
4.1BeamProp参数设置步骤9
4.2光谱仿真11
4心得体会16
参考文献17
摘要
光纤是一种很常见的介质光波导,其截面为圆形,但在集成光学中,人们更感兴趣的是在芯片上集成平面光波导。
分析平板波导有两种基本理论:
1.几何光学理论,2.电磁场理论。
平板波导由三层介质组成,中间层介质折射率最大,称为导波层。
上下两层折射率较低,分别称为覆盖层和衬底层。
当衬底层和覆盖层材料折射率相等时,称其为对称平板波导。
覆盖层折射率n2导波层折射率n1衬底层折射率n0导波层厚度为H,光线在上下界面上均发生全反射,假设y方向均匀,则光线的波矢在xz方向上有相应的分量(平板波导可不考虑y方向)。
本文介绍的是通过Beamprop软件进行平板波导光谱仿真,Beamprop是一款实用性非常强的光学应用软件,本文包含了Beamprop软件的介绍、平板波导的原理以及进行光谱分析及仿真。
关键词:
对称平板波导;Beamprop;光谱仿真
Abstract
Opticalfiberisoneofthemostcommonmediumopticalwaveguide,thecrosssectionisround,butinintegratedoptics,peoplearemoreinterestedinthechipintegratedplanarwaveguide.Analysisplanarwave-guidetherearetwobasictheory:
1.Thegeometricopticaltheory,2.Electromagneticfieldtheory.
Planarwave-guidebythreemediacomposition,refractiveindexlayermediumisthelargest,calledwaveguidelayer.Theupperandlowerlevelsrefractiveindexislow,respectivelycalledcoatingandsubstratelayer.Whensubstratelayerandcovermaterialrefractiveindexequal,calledthesymmetricplatewaveguide.
Refractiveindexlayerofn2guidedwavelayerrefractiveindexn1substratelayerrefractiveindexn0guidedwavelayerthicknessforH
Thelightintheinterfaceoftheupanddownallhappenedtotalreflection,supposeydirectioneven,lightisthewaveinxzdirectionarrowonthecorrespondingcomponent(planarwave-guidedon'tconsiderydirection).
ThispaperintroduceisthroughtheBeampropsoftwareplanarwave-guidespectrumsimulation,Beampropisapracticalverystrongopticalapplicationssoftware,thisarticlecontainsBeampropsoftwareisintroduced,theprincipleofplanarwave-guideandspectralanalysisandsimulation.
Keywords:
symmetricalplanarwave-guide;Beamprop;Spectrumsimulation
1绪论
光束在介质中传输时,由于介质的吸收和散射而引起损耗,由于绕射而引起发散,这些情况都会导致光束中心部分的强度不断地衰减。
因此,有必要设计制作某种器件,它能够引导光束的传播,从而使光束的能量在横的方向上受到限制,并使损耗和噪声降到最小,这种器件通常称为光波导,简称波导。
结构最简单的波导是由三层均匀介质组成的,中间的介质层称为波导层或芯层,芯两侧的介质层称为包层。
芯层的介电常数比芯两侧包层的介电常数稍高,使得光束能够集中在芯层中传输,因而起到导波的作用。
这种波导的介电常数分布是陡变的,也称为阶梯变化的,常称这种波导为平板波导。
最简单的平板型光波导是由沉积在衬底上的一层均匀薄膜构成,因而又叫做薄膜波导。
对光波导特性的分析,应用两种理论,即射线光学理论和波动光学理论。
射线光学理论的优点是对平板波导的分析过程简单直观,对某些物理概念能给出直观的物理意义,容易理解。
缺点是对于结构复杂的多层波导射线光学理论不便于应用,或只能得出粗糙的结果。
一般而言,若想全面、正确地分析各种结构的光波导的模式特性,还必须采用波动理论。
2平板波导
2.1平板波导简介
光纤是一种很常见的介质光波导,其截面为圆形,但在集成光学中,人们更感兴趣的是在芯片上集成平面光波导
图2.1平板波导结构示意图(由覆盖层,导波层,衬底组成)
图2.2条形波导结构示意图
平板波导由三层介质组成,中间层介质折射率最大,称为导波层。
上下两层折射率较低,分别称为覆盖层和衬底层。
当衬底层和覆盖层材料折射率相等时,称其为对称平板波导。
几何光学理论当满足全反射条件时,光线会在导波层上下介质界面处发生全反射,并沿Z轴传输。
覆盖层折射率n2导波层折射率n1衬底层折射率n0导波层厚度为H光线在上下界面上均发生全反射,假设y方向均匀,则光线的波矢在xz方向上有相应的分量(平板波导可不考虑y方向)。
波矢量之间的关系
当只考虑x方向上光线传播时,可见光线总是在上下两表面反射
现假设一光线入射到下界面,发生全反射,然后又与上表面发生全反射,再次回到下表面发生全反射。
此时,此光线会与原先从下表面出发的光波叠加在一起,发生干涉。
并且两束相干光波的位相差为:
如果相干相长,即满足谐振条件,则此入射角对应的光线(模式)可以被导波所接受
对于特征方程中的是上下界面处全反射所引起的相移,那么具体可根据菲涅尔公式求出。
TE模表示电矢量的偏振方向垂直于入射面,磁矢量的偏振方向在入射面内
TM模表示电矢量的偏振方向在入射面内,磁矢量的偏振方向垂直于入射面
以上相移公式是在n1n2介质界面上推倒得到,如果是在n0n1介质界面,只需将n2换成n0。
3Beamprop介绍
BeamPROP是一个高度集成了计算机辅助设计和模拟仿真的专业软件,专用于设计集成光学波导元件和光路。
此软件由美国RSOFT公司出品,1994年投入市场,被学院及产业公司的开发设计人员广泛使用。
此软件使用先进的有限差分光束传播法(finite-differencebeampropagationmethod)来模拟分析光学器件。
用户界面友好,分析和设计光学器件轻松方便。
其主程序为一套完善的用于设计光波导元件和光路CAD设计系统,且可控制相关的模拟参数,如:
数值参数、输入场以及各种显示、分析功能选项。
另一功能为模拟程序,它可以在主程序内或独立执行模拟分析工作,以图形方式显示域的特性以及用户感兴趣的各种数值特性。
4光谱仿真
4.1BeamProp参数设置步骤
打开BeamProp软件所在文件夹,打开CADLayout程序,开始这次的光谱仿真。
首先在菜单中选择“NewCircuit”,然后修改其中的“FreeSpaceWavelength”、“BackgroundIndex”、“IndexDifference”和“WaveguideWidth”参数,参数设置如图3.1所示。
图4.1全局设置
然后进行平面对称波导的绘制,通过鼠标的点击与拖动画出三层光纤,其中第二层的首端与第一层的末端连接,第三层的首端与第二层的末端连接,然后每层分别都要进行设置,通过右键点击内层就可以修改参数,第一层的参数设置如图3.2所示:
图4.2
而第三层参数设置就是将末端Z值从Lin修改为Lout。
由于第二层需要进行较多修改,所以单独讨论,如图3.4所示,首先将“IndexDifference”修改为delta_grating,光纤长度设为M×Period,还要点击“More”按钮修改“DisplayColor”为黄色。
除此之外,还要对光纤损耗进行定义,选择“IndexTaper”修改为图3.3所示,这是非常重要的一步,假若没有这一步,将会发生错误。
图4.3
图4.4
4.2光谱仿真
点击“PerformSimulation”图标打开仿真对话框。
点击“Bidirectional”按钮以及修改“Tolerance”为5e-005。
然后在仿真对话框的参数设置如图4.5所示:
图4.6
然后就能得出仿真结果,如图4.7所示:
令m=0,n=1.586513时,仿真结果如图4.8
m=1,n=1.58612时,仿真结果如图4.9
m=2,n=1.584699时,仿真结果如图4.10
m=3,n=1.582305时仿真结果如图4.11
m=4,n=1.578953时,仿真结果如图4.12
m=0时,对应图4.8。
表示基模时,选取的坐标内个点光强大小的分布。
其中,右侧竖直坐标表示不同颜色对应的光强的大小,红色表示的光强最大。
对称平板波导截面的折射率如图4.13
可以看出光纤内层的折射率要大于外面包层。
这样才能实现全反射。
这就是光纤的工作原理。
5心得体会
这次的光电子课程设计,我大概花了三天的时间来做知识的储备,以便于在后期的课程设计中,考虑的更深入。
真正做课设也花了三天,在这期间得到了不少的老师和同学的帮助,在此特别感谢。
通过本次课设,是我了解到了对称平板波导的作用机理和应用,学到了很多以前不懂得知识,获益匪浅,收益良多。
参考文献
[1]张自嘉.光纤波导理论基础与传感技术.北京:
科学出版社,2009
[2]赵勇.光纤波导及其传感技术.北京:
国防工业出版社 ,2007.1
[3]饶云江、王义平、朱涛.光纤光栅原理及应用 北京:
科学出版社 ,2006.8.
[4]李川、张以谟、赵永贵、李立京.光纤:
原理、技术与传感应用.北京:
科学出版社 2005.10
[5]吴朝霞、吴飞.光纤传感原理及应用 .北京:
国防工业出版社 2011.3
本科生课程设计成绩评定表
姓名
xxx
性别
男
专业、班级
电子0903班
课程设计题目:
对称平板波导的模式计算
课程设计答辩或质疑记录:
成绩评定依据:
最终评定成绩(以优、良、中、及格、不及格评定)
指导教师签字:
年月日
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- 对称 平板 波导
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