課程設計任務書學生姓名： 專業班級： 電子 班指導教師： 洪建勛 工作單位： 信息工程學院題 目: 非對稱條形波導的模式計算初始條件：計算機、beamprop軟件要求完成的主要任務:（包括課程設計工作量及其技術要求， 以及說明書撰寫等具體要求）1、課程設計工作量：2周2、技術要求：（1）學習beamprop軟件。（2）設計非對稱條形波導的模式計算（3）對非對稱條形波導的模式計算 進行beamprop軟件仿真工作。3、查閱至少5篇參考文獻。按《武漢理工大學課程設計工作規范》要求撰寫設計報告書。全文用A4紙打印，圖紙應符合繪圖規范。時間安排：2013.12.9做課設具體實施安排和課設報告格式要求說明。2013.12.10-2013.12.14學習beamprop軟件，查閱相關資料，復習所設計內容的基本理論知識。2013.12.-2013.12.19對非對稱平板波導的模式計算進行設計仿真工作， 完成課設報告的撰寫。2013.12.20提交課程設計報告，進行答辯。指導教師簽名：

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日武漢理工大學《光電子技術》課程設計說明書目錄目錄................................................................................................................................1摘要................................................................................................................................2Abstract..........................................................................................................................31.設計原理................................................................................................................41.1光波導的概念..................................................................................................41.2均勻介質薄膜波導........................................................................................52．RsoftCAD軟件介紹..............................................................................................83．非對稱波導繪制....................................................................................................104．非對稱波導的仿真................................................................................................124.1仿真設置.......................................................................................................124.1.1光路探測器設置................................................................................124.1.2光源設置...........................................................................................134.2仿真的結果...................................................................................................144.2.1光路圖分析.......................................................................................144.2.2波導折射率分析...............................................................................154.1.2基膜仿真...........................................................................................165．總結........................................................................................................................17參考文獻......................................................................................................................18武漢理工大學《光電子技術》課程設計說明書摘要本文研究的是非對稱條形波導的模式計算和通過 Beamprop軟件進行的仿真，Beamprop是一款實用性非常強的，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。文章主要內容有包從理論上推導的非對稱條形波導的模式計算，Beamprop軟件的介紹和利用BeamPROP軟件對非對稱條形仿真。我通過本次課程設計探究了非對稱條形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，并且加深了對非對稱條形波導的模式的理解。關鍵詞：非對稱條形光波導； RsoftCAD；仿真2武漢理工大學《光電子技術》課程設計說明書AbstractThemaincontentsofthispaperisnon-symmetricstripwaveguidemodecalculationandsimulationcarriedoutbyBeampropsoftware,Beampropisapractical,verystrong,highlyintegratedcomputer-aideddesignandsimulationprofessionalsoftwarededicatedtothedesignofintegratedopticalwaveguidesandopticalcomponents.Themaincontentofthearticleiscalculatedtheoreticallyhasabagofnon-symmetricslabwaveguidemode,BeampropsoftwareintroductionanduseofasymmetricbarsBeamPROPsoftwareemulation.Ipassedthiscourseisdesignedtoexploretheasymmetricslabwaveguidepatternclassificationandtheircharacteristics,gotsomeofitscharacteristicsandsimulationdiagramsimulationtoverifythetheoryanddeepenedtheasymmetricslabwaveguidemodeunderstanding.Keywords:Asymmetricalstripwaveguide;RsoftCAD;simulation3武漢理工大學《光電子技術》課程設計說明書設計原理1.1光波導的概念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，常稱這種波導為條形波導。最簡單的條形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。對光波導特性的分析，應用兩種理論，即射線光學理論和波動光學理論。射線光學理論的優點是對條形波導的分析過程簡單直觀，對某些物理概念能給出直觀的物理意義，容易理解。缺點是對于結構復雜的多層波導射線光學理論不便于應用，或只能得出粗糙的結果。一般而言，若想全面、正確地分析各種結構的光波導的模式特性，還必須采用波動理論。波導是一種用來約束或引導電磁波的結構。通常，波導專指各種形狀的空心金屬波導管和表面波波導，前者將被傳輸的電磁波完全限制在金屬管內，又稱封閉波導；后者將引導的電磁波約束在波導結構的周圍，又稱開波導。當無線電波頻率提高到3000兆赫至300吉赫的厘米波波段和毫米波波段時，同軸線的使用受到限制而采用金屬波導管或其他導波裝置。波導管的優點是導體損耗和介質損耗小；功率容量大；沒有輻射損耗；結構簡單，易于制造。波導管內的電磁場可由麥克斯韋方程組結合波導的邊界條件求解，與普通傳輸線不同，波導管里不能傳輸TEM模，電磁波在傳播中存在嚴重的色散現象，色散現象說明電磁波的傳播速度與頻率有關。表面波波導的特征是在邊界外有電磁場存在 。其傳播模式4武漢理工大學《光電子技術》課程設計說明書為表面波。在毫米波與亞毫米波波段，因金屬波導管的尺寸太小而使損耗加大和制造困難。這時使用表面波波導，除具有良好傳輸性外，主要優點是結構簡單，制作容易，可具有集成電路需要的平面結構。表面波波導的主要形式有：介質線、介質鏡像線、H-波導和鏡像凹波導。波導（waveguide）用來引導電磁波的結構。因此，在廣義的定義下，波導不僅是指空金屬管，同時也包括其他波導形式如脊形波導、 橢圓波導、介質波導等；還包括雙導線、同軸線、帶狀線、微帶和鏡像線、單根表面波傳輸線等（下圖）。如不附加說明，一般說到波導就是指空心金屬管。根據波導橫截面的形狀不同，可分為矩形波導、圓波導等。盡管已存在很多不同波導形式，且新的形式還不斷出現，但直到目前，在實際應用中矩形波導和圓波導仍是兩種最主要的波導形式。電磁波在波導中的傳播受到波導內壁的限制和反射。波導管壁的導電率很高（一般用銅、鋁等金屬制成，有時內壁鍍有銀或金），通常可假定波導壁是理想導體，波導管內的電磁場分布可由麥克斯韋方程組結合波導的邊界條件來求解。波導管內不能傳輸TEM波，電磁波在波導中的傳播存在著嚴重的色散現象。波導中可能存在無限多種電磁場的結構或分布，每一種電磁場的分布稱為一種波型（模式），每一種波型都有對應的截止波長和不同的相速。橫截面均勻的空心波導稱為均勻波導，均勻波導中電磁波的波型可分為電波（TM模）和磁波（TE模）兩大類。1.2均勻介質薄膜波導薄膜波導也稱平面介質波導，其結構如圖所示，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n1＞n2＞n3。5武漢理工大學《光電子技術》課程設計說明書x n3 復蓋層n1 芯層zn2 襯底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n1K0sinn1K0cos（1）因為導波光線必須滿足界面反射條件，即sin＞n2/n1，所以傳播常數必須滿足以下條件n1K0＞＞n2K0（2）上式被稱為導波條件，適用于多種類型的波導。有的文獻定義參數/K0為有效折射率(或用neff表示)，因而導波條件也可表示為n1＞＞n2（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，為光線與z軸的夾角，因為受到全反射條件的限制，n2/n1＜cos＜1，所以導波光線之間的最大時間差6武漢理工大學《光電子技術》課程設計說明書可表示為tnzn11)n1z(4)1(cn2c為了克服多模色散問題，出現了特殊設計的非均勻介質波導。7武漢理工大學《光電子技術》課程設計說明書2．RsoftCAD軟件介紹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及用戶感興趣的各種數值特性。Rsoft軟件界面介紹8武漢理工大學《光電子技術》課程設計說明書File：新建、打開、保存、打印、輸出 GDS2等格式文件。Edit：復制、粘貼、剪切、旋轉、轉換成多邊形、平坦化。View：全局視圖、放大、縮小。Option：選項設置、全局設置。Run：計算快捷按鈕介紹如下。包括基本操作按鈕、畫圖按鈕、數據查看與仿真按鈕。9武漢理工大學《光電子技術》課程設計說明書3．非對稱波導繪制進入RSoftCAD-Layout，點擊新建文件，選擇所繪制的非對稱光波導的基本參數，選擇情況如圖所示，中央芯區折射率為 1.4+2.1=3.5。所繪制的非對稱條形波導的可變參量的設置如圖所示。10武漢理工大學《光電子技術》課程設計說明書設定非對稱條形波導的可變參數，設定值如圖所示：繪制的非對稱條形波導的光路圖如圖所示：11武漢理工大學《光電子技術》課程設計說明書4．非對稱波導的仿真4.1仿真設置設置路徑通過單擊左側工具欄中的 “EditPathways”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LauchPower，如圖所示；一個作為功率探測，其Type為WGPower4.1.1光路探測器設置12武漢理工大學《光電子技術》課程設計說明書4.1.2光源設置13武漢理工大學《光電子技術》課程設計說明書4.2仿真的結果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，ComputationCompleted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，