對(duì)稱平板波導(dǎo)的模式計(jì)算課程設(shè)計(jì)(論文)(編輯修改稿)
2025-10-02 13:48 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 waveguide mode 武漢理工大學(xué)《光電子 應(yīng)用 》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書 1 1 設(shè)計(jì)目的及任務(wù)要求 設(shè)計(jì)目的 培養(yǎng)較為扎實(shí)的 光電子 的理論知識(shí)及較強(qiáng)的實(shí)踐能力；加深對(duì) 光電 器件的選型及 光 路形式的選擇的了解； 強(qiáng)化使用實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行電路的調(diào)試 檢測(cè) 能力 。 任務(wù)要求 （ 1）學(xué)習(xí) RSOFT 軟件。 （ 2）設(shè)計(jì)一個(gè)對(duì)稱平板波導(dǎo)。 （ 3）利用 rsoft 軟件對(duì)該光路進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)、模擬和仿真工作。 軟件簡(jiǎn)介 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)和模擬仿真的專業(yè)軟件，專用于設(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 (finitedifference beam propagation method)來(lái)模擬分析光學(xué)器件。用戶界面友好，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以及用戶感興趣的各種數(shù)值特性。 武漢理工大學(xué)《光電子 應(yīng)用 》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書 2 2原理分析 均勻介質(zhì)薄膜波導(dǎo) 薄膜波導(dǎo)是最簡(jiǎn)單的光波導(dǎo)類型，對(duì)薄膜波導(dǎo)的分析，在光波導(dǎo)領(lǐng)域具有典型意義。另一方面，薄膜波導(dǎo)又是集成光學(xué)的技術(shù)基礎(chǔ)。 ⑴波導(dǎo)結(jié)構(gòu) 薄膜波導(dǎo)也稱平面介質(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(shè)定 n1＞ n2 ＞ n3。 ⑵波導(dǎo)光線 均勻介質(zhì)波導(dǎo)的芯層光線沿直線傳播，經(jīng)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(nèi)，稱為束縛光線或?qū)Рü饩€，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(guò)界面進(jìn)入襯底或覆蓋層。 ⑶導(dǎo)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 ??? cosKnK 01x1 具有雙值不確定性。然而 K? 的 z 分量 ?? sinKnK 01z1 卻是唯一確定的，而且在一條光線的傳播過(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z ? ? n3 復(fù)蓋層 n1 芯層 n2 襯底 圖 薄膜波導(dǎo)示意圖 x 武漢理工大學(xué)《光電子 應(yīng)用 》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書 3 為傳播常數(shù)。因而 ????? co sKns inKn 0101 （ ） 因?yàn)閷?dǎo)波光線必須滿足界面反射條件，即 ?sin ＞ 12 n/n ，所以傳播常數(shù) ? 必須滿足以下條件 01Kn ＞ ? ＞ 02Kn （ ） ()式被稱為導(dǎo)波條件，適用于多種類型的波導(dǎo)。有的文獻(xiàn)定 義參數(shù) 0K/???為有效折射率 (或用 efn 表示 )，因而導(dǎo)波條件也可表示為 1n ＞ ? ＞ 2n () 均勻介質(zhì)波導(dǎo)的缺點(diǎn)是存在多模色散問(wèn)題，即不同光線之間存在傳播時(shí)間差。鋸齒形光線的傳播時(shí)間為 ，其中 z 為傳播距離， ?為光線與 z軸的夾角， 因?yàn)槭艿饺瓷錀l件的限制， 12 n/n ＜ ?cos ＜ 1，所以導(dǎo)波光線之間的最大時(shí)間差可表示為 () 其中，為折射率相對(duì)偏差。 為了克服這種多模色散問(wèn)題，出現(xiàn)了特殊設(shè)計(jì)的非均勻介質(zhì)波導(dǎo)。 平面光波導(dǎo) 按幾何光學(xué)概念，凡是滿足 的光線均可在波導(dǎo)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(dǎo)參數(shù)方程及電磁場(chǎng)方程及邊界條件導(dǎo)出。 這里可以從平面波簡(jiǎn)單理論得到相同的結(jié)果。如圖 所示： 01 90????cz)1nn(c znt 1211 ?????武漢理工大學(xué)《光電子 應(yīng)用 》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書 4 圖 平面波導(dǎo)傳輸示意圖 對(duì)平面波 BB39。,CC同相位 ,可見(jiàn)由 B到 C ,由 B39。到 C
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