非對(duì)稱(chēng)條形波導(dǎo)

課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)學(xué)生姓名： 專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 電子 班指導(dǎo)教師： 洪建勛 工作單位： 信息工程學(xué)院題 目: 非對(duì)稱(chēng)條形波導(dǎo)的模式計(jì)算初始條件：計(jì)算機(jī)、beamprop軟件要求完成的主要任務(wù):（包括課程設(shè)計(jì)工作量及其技術(shù)要求， 以及說(shuō)明書(shū)撰寫(xiě)等具體要求）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)非對(duì)稱(chēng)條形波導(dǎo)的模式計(jì)算（3）對(duì)非對(duì)稱(chēng)條形波導(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(xiě)設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)。全文用A4紙打印，圖紙應(yīng)符合繪圖規(guī)范。時(shí)間安排：2013.12.9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。2013.12.10-2013.12.14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)容的基本理論知識(shí)。2013.12.-2013.12.19對(duì)非對(duì)稱(chēng)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(xiě)。2013.12.20提交課程設(shè)計(jì)報(bào)告，進(jìn)行答辯。指導(dǎo)教師簽名：

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日系主任（或責(zé)任教師）簽名：

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日武漢理工大學(xué)《光電子技術(shù)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)目錄目錄................................................................................................................................1摘要................................................................................................................................2Abstract..........................................................................................................................31.設(shè)計(jì)原理................................................................................................................41.1光波導(dǎo)的概念..................................................................................................41.2均勻介質(zhì)薄膜波導(dǎo)........................................................................................52．RsoftCAD軟件介紹..............................................................................................83．非對(duì)稱(chēng)波導(dǎo)繪制....................................................................................................104．非對(duì)稱(chēng)波導(dǎo)的仿真................................................................................................124.1仿真設(shè)置.......................................................................................................124.1.1光路探測(cè)器設(shè)置................................................................................124.1.2光源設(shè)置...........................................................................................134.2仿真的結(jié)果...................................................................................................144.2.1光路圖分析.......................................................................................144.2.2波導(dǎo)折射率分析...............................................................................154.1.2基膜仿真...........................................................................................165．總結(jié)........................................................................................................................17參考文獻(xiàn)......................................................................................................................18武漢理工大學(xué)《光電子技術(shù)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)摘要本文研究的是非對(duì)稱(chēng)條形波導(dǎo)的模式計(jì)算和通過(guò) Beamprop軟件進(jìn)行的仿真，Beamprop是一款實(shí)用性非常強(qiáng)的，高度集成了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和模擬仿真的專(zhuān)業(yè)軟件，專(zhuān)用于設(shè)計(jì)集成光學(xué)波導(dǎo)元件和光路。文章主要內(nèi)容有包從理論上推導(dǎo)的非對(duì)稱(chēng)條形波導(dǎo)的模式計(jì)算，Beamprop軟件的介紹和利用BeamPROP軟件對(duì)非對(duì)稱(chēng)條形仿真。我通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)探究了非對(duì)稱(chēng)條形波導(dǎo)的模式分類(lèi)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)非對(duì)稱(chēng)條形波導(dǎo)的模式的理解。關(guān)鍵詞：非對(duì)稱(chēng)條形光波導(dǎo)； RsoftCAD；仿真2武漢理工大學(xué)《光電子技術(shù)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)AbstractThemaincontentsofthispaperisnon-symmetricstripwaveguidemodecalculationandsimulationcarriedoutbyBeampropsoftware,Beampropisapractical,verystrong,highlyintegratedcomputer-aideddesignandsimulationprofessionalsoftwarededicatedtothedesignofintegratedopticalwaveguidesandopticalcomponents.Themaincontentofthearticleiscalculatedtheoreticallyhasabagofnon-symmetricslabwaveguidemode,BeampropsoftwareintroductionanduseofasymmetricbarsBeamPROPsoftwareemulation.Ipassedthiscourseisdesignedtoexploretheasymmetricslabwaveguidepatternclassificationandtheircharacteristics,gotsomeofitscharacteristicsandsimulationdiagramsimulationtoverifythetheoryanddeepenedtheasymmetricslabwaveguidemodeunderstanding.Keywords:Asymmetricalstripwaveguide;RsoftCAD;simulation3武漢理工大學(xué)《光電子技術(shù)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)設(shè)計(jì)原理1.1光波導(dǎo)的概念光束在介質(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，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(chēng)為光波導(dǎo)，簡(jiǎn)稱(chēng)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(chēng)為波導(dǎo)層或芯層，芯兩側(cè)的介質(zhì)層稱(chēng)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(chēng)為階梯變化的，常稱(chēng)這種波導(dǎo)為條形波導(dǎo)。最簡(jiǎn)單的條形型光波導(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)。對(duì)光波導(dǎo)特性的分析，應(yīng)用兩種理論，即射線(xiàn)光學(xué)理論和波動(dòng)光學(xué)理論。射線(xiàn)光學(xué)理論的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)條形波導(dǎo)的分析過(guò)程簡(jiǎn)單直觀，對(duì)某些物理概念能給出直觀的物理意義，容易理解。缺點(diǎn)是對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的多層波導(dǎo)射線(xiàn)光學(xué)理論不便于應(yīng)用，或只能得出粗糙的結(jié)果。一般而言，若想全面、正確地分析各種結(jié)構(gòu)的光波導(dǎo)的模式特性，還必須采用波動(dòng)理論。波導(dǎo)是一種用來(lái)約束或引導(dǎo)電磁波的結(jié)構(gòu)。通常，波導(dǎo)專(zhuān)指各種形狀的空心金屬波導(dǎo)管和表面波波導(dǎo)，前者將被傳輸?shù)碾姶挪ㄍ耆拗圃诮饘俟軆?nèi)，又稱(chēng)封閉波導(dǎo)；后者將引導(dǎo)的電磁波約束在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的周?chē)?，又稱(chēng)開(kāi)波導(dǎo)。當(dāng)無(wú)線(xiàn)電波頻率提高到3000兆赫至300吉赫的厘米波波段和毫米波波段時(shí)，同軸線(xiàn)的使用受到限制而采用金屬波導(dǎo)管或其他導(dǎo)波裝置。波導(dǎo)管的優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)體損耗和介質(zhì)損耗??；功率容量大；沒(méi)有輻射損耗；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造。波導(dǎo)管內(nèi)的電磁場(chǎng)可由麥克斯韋方程組結(jié)合波導(dǎo)的邊界條件求解，與普通傳輸線(xiàn)不同，波導(dǎo)管里不能傳輸TEM模，電磁波在傳播中存在嚴(yán)重的色散現(xiàn)象，色散現(xiàn)象說(shuō)明電磁波的傳播速度與頻率有關(guān)。表面波波導(dǎo)的特征是在邊界外有電磁場(chǎng)存在 。其傳播模式4武漢理工大學(xué)《光電子技術(shù)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)為表面波。在毫米波與亞毫米波波段，因金屬波導(dǎo)管的尺寸太小而使損耗加大和制造困難。這時(shí)使用表面波波導(dǎo)，除具有良好傳輸性外，主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作容易，可具有集成電路需要的平面結(jié)構(gòu)。表面波波導(dǎo)的主要形式有：介質(zhì)線(xiàn)、介質(zhì)鏡像線(xiàn)、H-波導(dǎo)和鏡像凹波導(dǎo)。波導(dǎo)（waveguide）用來(lái)引導(dǎo)電磁波的結(jié)構(gòu)。因此，在廣義的定義下，波導(dǎo)不僅是指空金屬管，同時(shí)也包括其他波導(dǎo)形式如脊形波導(dǎo)、 橢圓波導(dǎo)、介質(zhì)波導(dǎo)等；還包括雙導(dǎo)線(xiàn)、同軸線(xiàn)、帶狀線(xiàn)、微帶和鏡像線(xiàn)、單根表面波傳輸線(xiàn)等（下圖）。如不附加說(shuō)明，一般說(shuō)到波導(dǎo)就是指空心金屬管。根據(jù)波導(dǎo)橫截面的形狀不同，可分為矩形波導(dǎo)、圓波導(dǎo)等。盡管已存在很多不同波導(dǎo)形式，且新的形式還不斷出現(xiàn)，但直到目前，在實(shí)際應(yīng)用中矩形波導(dǎo)和圓波導(dǎo)仍是兩種最主要的波導(dǎo)形式。電磁波在波導(dǎo)中的傳播受到波導(dǎo)內(nèi)壁的限制和反射。波導(dǎo)管壁的導(dǎo)電率很高（一般用銅、鋁等金屬制成，有時(shí)內(nèi)壁鍍有銀或金），通?？杉俣ú▽?dǎo)壁是理想導(dǎo)體，波導(dǎo)管內(nèi)的電磁場(chǎng)分布可由麥克斯韋方程組結(jié)合波導(dǎo)的邊界條件來(lái)求解。波導(dǎo)管內(nèi)不能傳輸TEM波，電磁波在波導(dǎo)中的傳播存在著嚴(yán)重的色散現(xiàn)象。波導(dǎo)中可能存在無(wú)限多種電磁場(chǎng)的結(jié)構(gòu)或分布，每一種電磁場(chǎng)的分布稱(chēng)為一種波型（模式），每一種波型都有對(duì)應(yīng)的截止波長(zhǎng)和不同的相速。橫截面均勻的空心波導(dǎo)稱(chēng)為均勻波導(dǎo)，均勻波導(dǎo)中電磁波的波型可分為電波（TM模）和磁波（TE模）兩大類(lèi)。1.2均勻介質(zhì)薄膜波導(dǎo)薄膜波導(dǎo)也稱(chēng)平面介質(zhì)波導(dǎo)，其結(jié)構(gòu)如圖所示，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(chēng)為芯層，折射率為n1，是光波傳播的通道，下面一層稱(chēng)為襯底，折射率為n2，上面一層稱(chēng)覆蓋層，折射率n3。上下兩層都是限制光線(xiàn)的阻擋層。為了保證光線(xiàn)在芯層的傳播，必須要求n1大于n2和n3，一般設(shè)定n1＞n2＞n3。5武漢理工大學(xué)《光電子技術(shù)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)x n3 復(fù)蓋層n1 芯層zn2 襯底波導(dǎo)光線(xiàn)均勻介質(zhì)波導(dǎo)的芯層光線(xiàn)沿直線(xiàn)傳播， 經(jīng)與上下界面的反射和折射， 形成鋸齒形光線(xiàn)。光線(xiàn)可分為兩種，滿(mǎn)足全反射條件的光線(xiàn)，始終被束縛在芯層內(nèi)，稱(chēng)為束縛光線(xiàn)或?qū)Рü饩€(xiàn)，未滿(mǎn)足全反射條件的光線(xiàn)稱(chēng)為折射光線(xiàn)或輻射光線(xiàn)，這種光線(xiàn)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(xiàn)向 z方向傳播，但是局部光線(xiàn)的指向卻有上傾和下傾兩種可能，即波矢量K不是唯一確定的，其x方向分量K1x n1K0cos具有雙值不確定性。然而 K的z分量K1z n1K0sin卻是唯一確定的，而且在一條光線(xiàn)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(chēng)為傳播常數(shù)。因而n1K0sinn1K0cos（1）因?yàn)閷?dǎo)波光線(xiàn)必須滿(mǎn)足界面反射條件，即sin＞n2/n1，所以傳播常數(shù)必須滿(mǎn)足以下條件n1K0＞＞n2K0（2）上式被稱(chēng)為導(dǎo)波條件，適用于多種類(lèi)型的波導(dǎo)。有的文獻(xiàn)定義參數(shù)/K0為有效折射率(或用neff表示)，因而導(dǎo)波條件也可表示為n1＞＞n2（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(xiàn)之間存在傳播時(shí)間差。鋸齒形光線(xiàn)的傳播時(shí)間為，其中z為傳播距離，為光線(xiàn)與z軸的夾角，因?yàn)槭艿饺瓷錀l件的限制，n2/n1＜cos＜1，所以導(dǎo)波光線(xiàn)之間的最大時(shí)間差6武漢理工大學(xué)《光電子技術(shù)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)可表示為tnzn11)n1z(4)1(cn2c為了克服多模色散問(wèn)題，出現(xiàn)了特殊設(shè)計(jì)的非均勻介質(zhì)波導(dǎo)。7武漢理工大學(xué)《光電子技術(shù)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)2．RsoftCAD軟件介紹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(zhuān)業(yè)軟件，專(zhuān)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(kāi)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來(lái)模擬分析光學(xué)器件。 用戶(hù)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及用戶(hù)感興趣的各種數(shù)值特性。Rsoft軟件界面介紹8武漢理工大學(xué)《光電子技術(shù)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)File：新建、打開(kāi)、保存、打印、輸出 GDS2等格式文件。Edit：復(fù)制、粘貼、剪切、旋轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)換成多邊形、平坦化。View：全局視圖、放大、縮小。Option：選項(xiàng)設(shè)置、全局設(shè)置。Run：計(jì)算快捷按鈕介紹如下。包括基本操作按鈕、畫(huà)圖按鈕、數(shù)據(jù)查看與仿真按鈕。9武漢理工大學(xué)《光電子技術(shù)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)3．非對(duì)稱(chēng)波導(dǎo)繪制進(jìn)入RSoftCAD-Layout，點(diǎn)擊新建文件，選擇所繪制的非對(duì)稱(chēng)光波導(dǎo)的基本參數(shù)，選擇情況如圖所示，中央芯區(qū)折射率為 1.4+2.1=3.5。所繪制的非對(duì)稱(chēng)條形波導(dǎo)的可變參量的設(shè)置如圖所示。10武漢理工大學(xué)《光電子技術(shù)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)設(shè)定非對(duì)稱(chēng)條形波導(dǎo)的可變參數(shù)，設(shè)定值如圖所示：繪制的非對(duì)稱(chēng)條形波導(dǎo)的光路圖如圖所示：11武漢理工大學(xué)《光電子技術(shù)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)4．非對(duì)稱(chēng)波導(dǎo)的仿真4.1仿真設(shè)置設(shè)置路徑通過(guò)單擊左側(cè)工具欄中的 “EditPathways”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(huà)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(huà)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L(zhǎng)auchPower，如圖所示；一個(gè)作為功率探測(cè)，其Type為WGPower4.1.1光路探測(cè)器設(shè)置12武漢理工大學(xué)《光電子技術(shù)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)4.1.2光源設(shè)置13武漢理工大學(xué)《光電子技術(shù)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)4.2仿真的結(jié)果波導(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，ComputationCompleted就是針對(duì)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，