武漢理工大學光電子應用課程設計說明書目錄摘要IAbstractII1 設計目的及任務要求11.1 設計目的11.2 任務要求11.3 軟件簡介12原理分析22.1 均勻介質薄膜波導22.2 平面光波導32.3 平板波導的波動理論53 對稱平面波導的BeamPROP仿真設置74 平面波導仿真圖124.1 波導結構觀察124.2 波導傳輸仿真124.3 不同模式仿真圖135 總結17參考文獻18II摘要能夠引導光束的傳播，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，簡稱波導光束在介質中傳輸時，由于介質的吸收和散射而引起損耗，由于繞射而引起發散，這些情況都會導致光束中心部分的強度不斷地衰減。因此，有必要設計制作某種器件，它能夠引導光束的傳播，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，簡稱波導。結構最簡單的波導是由三層均勻介質組成的，中間的介質層稱為波導層或芯層，芯兩側的介質層稱為包層。芯層的介電常數比芯兩側包層的介電常數稍高，使得光束能夠集中在芯層中傳輸，因而起到導波的作用。這種波導的介電常數分布是陡變的，也稱為階梯變化的，常稱這種波導為平板波導。最簡單的平板型光波導是由沉積在襯底上的一層均勻薄膜構成，因而又叫做薄膜波導。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平面內一樣。本文從理論上推導了對稱平板波導的模式計算,利用BeamPROP軟件仿真，探究了對稱平板波導的模式分類及各自特點，得到了其仿真特性和一些仿真圖，驗證了相關理論，并且加深了對對稱平板波導的模式的理解。關鍵詞：波導 模式計算 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, the 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 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 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 higher, 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 deposited 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 BeamPROP 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 waveguide mode181 設計目的及任務要求1.1 設計目的培養較為扎實的光電子的理論知識及較強的實踐能力；加深對光電器件的選型及光路形式的選擇的了解；強化使用實驗儀器進行電路的調試檢測能力。1.2 任務要求（1）學習RSOFT軟件。（2）設計一個對稱平板波導。（3）利用rsoft軟件對該光路進行系統設計，并進行相應的設計、模擬和仿真工作。1.3 軟件簡介 RSoft是一款非常實用的光波導仿真軟件。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合。本課程主要使用RSoft算法集中的BPM算法對光波導和簡單光波導器件進行仿真計算，從而對光在波導中的傳輸有一定得了解。 BeamPROP 是一個高度集成了計算機輔助設計和模擬仿真的專業軟件，專用于設計集成光學波導元件和光路。此軟件由美國RSOFT公司出品，1994年投入市場，被學院及產業公司的開發設計人員廣泛使用。此軟件使用先進的有限差分光束傳播法 (finite-difference beam propagation method)來模擬分析光學器件。用戶界面友好，分析和設計光學器件輕松方便。其主程序為一套完善的用于設計光波導元件和光路CAD設計系統，且可控制相關的模擬參數，如：數值參數、輸入場以及各種顯示、分析功能選項。另一功能為模擬程序，它可以在主程序內或獨立執行模擬分析工作，以圖形方式顯示域的特性以及用戶感興趣的各種數值特性。2原理分析2.1 均勻介質薄膜波導薄膜波導是最簡單的光波導類型，對薄膜波導的分析，在光波導領域具有典型意義。另一方面，薄膜波導又是集成光學的技術基礎。波導結構薄膜波導也稱平面介質波導，其結構如圖2.1所示，是由兩層低折射率介質膜和中間夾有的一層高折射率介質膜所組成的三層結構。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n3，一般設定n1n2 n3。zn3 復蓋層n1 芯層n2 襯底 圖2.1 薄膜波導示意圖x 波導光線 均勻介質波導的芯層光線沿直線傳播，經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，稱為束縛光線或導波光線，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入襯底或覆蓋層。 導波條件 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，這是一個重要的不變量，以表示，稱為傳播常數。因而（2.1）因為導波光線必須滿足界面反射條件，即，所以傳播常數必須滿足以下條件 （2.2）(2.2)式被稱為導波條件，適用于多種類型的波導。有的文獻定義參數為有效折射率(或用表示)，因而導波條件也可表示為 (2.3) 均勻介質波導的缺點是存在多模色散問題，即不同光線之間存在傳播時間差。鋸齒形光線的傳播時間為，其中z為傳播距離，q為光線與z軸的夾角，因為受到全反射條件的限制，1，所以導波光線之間的最大時間差可表示為 (2.4)其中，為折射率相對偏差。 為了克服這種多模色散問題，出現了特殊設計的非均勻介質波導。2.2 平面光波導按幾何光學概念，凡是滿足 的光線均可在波導中 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。其模式將由光波導參數方程及電磁場方程及邊界條件導出。這里可以從平面波簡單理論得到相同的結果。如圖2.2所示： 圖2.2 平面波導傳輸示意圖對平面波BB,CC同相位,可見由B到C ,由B到C所經歷的相位差為2p 的整數倍. 從 BC 沒有反射,位相變化為 k0n1BC 從 BC 經過上下兩次的反射,其附加位相為2f2,2f3 故相位差為：對TE波，TM波是不同的。 將BC,BC用d與表示出來，產生的相位差為 故 即 從而得到TM波，與TE波的相位差取值。 對于對稱平面光波導n1=n3。m=0時為最低模,m=1,m=2其模式結構如圖2.3所示。 圖2.3 m取不同值時波導結構2.3 平板波導的波動理論 對于非對稱三層介質光波導，假設光沿z方向傳輸，在x.y方向上不受限制，那么它的電磁場表示成： 把它代入麥克斯韋方程： 得到電磁場的分量方程： 假設電磁場在y方向上不隨坐標y變化，即 ，把這個關系代入方程，就可以得到電磁場的兩種模式：TE模： TM模： 波動方程： TE模：把電場垂直于光的傳輸方向（也就是z軸），這種電磁場分布稱為橫電模。 TM模：把磁場垂直于光的傳輸方向（也就是z軸），這種電磁場分布稱為橫磁模。3 對稱平面波導的BeamPROP仿真設置1）新建仿真文件啟動BeamPROP軟件，點擊左上角的“New Circuit”按鈕，新建仿真文件。 點擊后彈出基本設置對話框如圖3.1所示， 波導的一些基本特性參數需要在此設定。 本實驗所用到的是平面波導，因此在Structure Type 選多層膜結構標志 Multilayer。波導橫截面的尺寸結構為6um* 6um，導光薄膜折射率為 1.5，由于是對稱平面波導，所以覆蓋層與襯底層折射率相同，且小于導光薄膜折射率，設定為1.4。圖3.1 波導參數設置界面 由于平面波導是三層結構，其中導光薄膜是一層，故需要點擊Edit Layers進一步對波導結構設置，對話框如圖3.2所示，新添加一層薄膜。 圖3.2 薄膜層結構設計2）繪制波導點擊BeamPROP窗口左邊的mode，繪制相應形狀的波導。鼠標左鍵，在任意另一處再單擊左鍵，即可畫出相應的波導。將鼠標移動至波導上（紅色區域上） ，再單擊鼠標右鍵，會彈出波導的設置菜單。通過設置變量可以方便的改變波導的位置以及大小，如圖3.3所示，然后保存。圖3.3 繪制波導3）觀察路徑與激勵設置 設置路徑通過單擊左側工具欄中的“Edit Pathways”按鈕。 單擊后左側工具欄會變成路徑設置欄。點擊“New”按鈕，會新建一個路徑，再左鍵點擊我們畫好的波導，使路徑與波導相一致（此時波導會變綠色），然后再點擊“Monitors”按鈕，會彈出一個小對話框，設置一個與路徑相匹配的探測器。本實驗需要兩個探測器，一個作為光路探測，其Type 為Lauch Power，如圖3.4所示；一個作為功率探測，其Type 為WG Power如圖3.5所示。圖3.4 光路探測器設置 圖3.5 功率探測器設置 設置光源通過單擊左側工具欄中的“Edit Launch Field”按鈕，如圖3.6所示 單擊后會彈出輸入光源的設置對話框。選取波導的基模即可。 圖3.6 電源設置4 平面波導仿真圖4.1 波導結構觀察 利用Beamprop可以進行波導的結構建模與繪制，但輸入界面通過基本設置完成的光導繪制屬于俯視圖，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 波導的橫截圖形4.2 波導傳輸仿真 波導作為一種傳輸介質，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結構設計的改善，Computation Completed就是針對光路傳輸的一種仿真，通過監視器以及電源的設置，可以得到平面波導的光路傳輸圖，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 由理論知識可知，平面波導，其對入射光具有選擇性，只有滿足導波條件才可以再波導中傳播，其滿足相位條件。不同模式，對用不同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