槽波導(dǎo)的模式求解與分析畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告(編輯修改稿)
2025-03-12 05:31 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 平板波導(dǎo)由三層介質(zhì)組成，中間層介質(zhì)折射率最大，稱之為導(dǎo)波層，上、下兩層折射率較低，分別稱為覆蓋層和襯底層。覆蓋層折射率記為 0n ，導(dǎo)波層折射率記為 1n ，襯底層折射率記為 2n (如圖 21所示 )。 分析介質(zhì)波導(dǎo)有兩種基本理論方法 :射線理論分析法 (幾何光學(xué) )和電磁場理論分析法 (波導(dǎo)光學(xué) )[15]。射線理論分析法簡單、直觀、物理概念清晰，并能得到一些光在光波導(dǎo)中的基本傳輸特性。但若要描述波導(dǎo)中的模場分布，則需用嚴(yán)格的電磁場理論來分析。 圖 21是平板波導(dǎo)射線傳播示意圖。設(shè)光沿 z方向傳播，在 x方向 受 到限制，而在垂直 xz平面的 Y方向上波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和光波都是均勻的。導(dǎo)波光的傳輸常數(shù)為β波矢量 10nk 在 傳輸方向 z上的分量， ?? sin10nk? ，其中 0k 是光在真空中的波矢。光波導(dǎo)的有效折射率 efn 常用來描述光波導(dǎo)的模式，其定義為模式的傳播常數(shù) ?與波數(shù) k 的比值，即?? sin/ 10 nkneff ?? . 圖 21 平板光波導(dǎo)射線傳播示意圖 要形成穩(wěn)定的光傳播模式，在芯層的上、下界面上均需滿足全反射條件，光在芯層中的傳播方向與自然水平方向的夾角 ? 需滿足 )]/1(a r c s in [ 2120 nnsq rt ???且 )]/1(a r c s in [ 2220 nnsq rt ??? 。另外，為滿足相位匹配條件，上、下界面上兩次發(fā) 生 8 的相移為 ?2 的整數(shù)倍。 可得到平板波導(dǎo)的模方程 : ??? mht 22 20 ??? （ 21) 0? , 2? 是上下界面處全反射所引起的相移，可由菲涅爾公式求出。由 ? 的值可以計(jì)算出波導(dǎo)端面入射到芯層時(shí)的入射角 ? ，但并不是所有滿足上述條件的入射光都可以在光波導(dǎo)中傳輸，只有一系列滿足一定條件的離散角度的入射光才能在平板光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中穩(wěn)定傳輸，每一個(gè)允許的角度對應(yīng)一個(gè)傳播模式。因此平板波導(dǎo)所能允許的模式是分立 且有限的。 波導(dǎo)理論是把平板波導(dǎo)模式看作滿足介質(zhì)平板波導(dǎo)邊界條件的Maxwell方程的解。由時(shí)諧電磁場的麥克斯韋方程組 HiE ?? 0?????? , EiH ?? ????? . (22) 推出平板光波導(dǎo)的亥姆赫茲方程 ，再通過邊界條件求解特定解。 3. 平 板槽波導(dǎo) 的結(jié)構(gòu) 由于其物理結(jié)構(gòu)為兩個(gè)高折射率平板夾著一個(gè)低折射率狹縫，我們稱這種新型波導(dǎo)叫槽波導(dǎo)。圖 31描述了最典型的槽波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其中一個(gè)低折射率槽嵌入兩高折射率板（陰影區(qū)）之間。通常將其作為五層波導(dǎo)分析。三維（ 3D）有限高度的槽波導(dǎo)結(jié)構(gòu) [如圖 31（ b） ]。 9 圖 31 無限高（ a)和有限高 (b)槽波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖 圖 32 五層對稱槽波導(dǎo)的折射率分布圖 通常 圖 32中波導(dǎo)芯 ② 和波導(dǎo)芯 ④ 的折射率相同，為 Hn =；上包層 ① 、下包層⑤ 折射率 相同，狹縫區(qū) ③ 的折射率為 Sn =。 當(dāng)狹縫寬度為亞微米量級時(shí)，從一根波導(dǎo)輸入的光能量會耦合進(jìn)入另一根波導(dǎo)，此時(shí)另一根波導(dǎo)成為第一根波導(dǎo)的高折射率限制層，造成空間中能 量分布較大幅度的變化。針對該情況，分析波導(dǎo)模式的特征，可知狹縫波導(dǎo)中的傳播模式變?yōu)?“準(zhǔn)導(dǎo)?！?，即傳播常數(shù)由原本分立譜值形式展寬成為與之 10 相對應(yīng)的一些包含了無限多分立譜值的 連續(xù)譜 [16]。這種模式不再是光波導(dǎo)中一般意義上傳輸?shù)膶?dǎo)模，而是同時(shí)具有 導(dǎo)模和輻射模 雙重性質(zhì)的傳輸模式。 光場分布在逐漸趨向穩(wěn)定的過程中，除了正常模式的 性質(zhì)，光場還會在此過程中發(fā)生輻射，引起波導(dǎo)芯中光功率的大幅度泄漏損耗。從波導(dǎo)芯中輻射泄 漏的光功率匯集在兩根波導(dǎo)之間的狹縫區(qū)，形成了槽波導(dǎo)結(jié)構(gòu)體系中“波導(dǎo)芯/狹縫 /波導(dǎo)芯”中能量的重新分布，這樣的物理特性為設(shè)計(jì)各種新型結(jié)構(gòu)光 子功能器件奠定了基礎(chǔ)。 4. 槽波導(dǎo)的具體應(yīng)用 傳感器 槽波導(dǎo)結(jié)構(gòu)能夠在低折射率非常小的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)強(qiáng)光限制，因此對覆蓋介質(zhì)的折射
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