对称平板波导的模式计算课程设计(论文)(编辑修改稿)

对称平板波导的模式计算课程设计(论文)(编辑修改稿)内容摘要：

waveguide mode 武汉理工大学《光电子 应用 》课程设计说明书 1 1 设计目的及任务要求 设计目的 培养较为扎实的 光电子 的理论知识及较强的实践能力；加深对 光电 器件的选型及 光 路形式的选择的了解； 强化使用实验仪器进行电路的调试 检测 能力。 任务要求 （ 1）学习 RSOFT 软件。 （ 2）设计一个对称平板波导。 （ 3）利用 rsoft 软件对该光路进行系统设计，并进行相应的设计、模拟和仿真工作。 软件简介 RSoft 是一款非常实用的光波导仿真软件。 其中包含了 BPM,FDTD,FEM 等多种算法，使得它能够适用于各种不同要求场合。 本课程主要使用 RSoft 算法集中 的 BPM 算法对光波导和简单光波导器件进行仿真计算，从而对光在波导中的传输有一定得了解。 BeamPROP 是一个高度集成了计算机辅助设计和模拟仿真的专业软件，专用于设计集成光学波导元件和光路。 此软件由美国 RSOFT 公司出品， 1994年投入市场，被学院及产业公司的开发设计人员广泛使用。 此软件使用先进的有限差分光束传播法 (finitedifference beam propagation method)来模拟分析光学器件。 用户界面友好，分析和设计光学器件轻松方便。 其主程序为一套完善的用于设计光波导 元件和光路 CAD 设计系统，且可控制相关的模拟参数，如：数值参数、输入场以及各种显示、分析功能选项。 另一功能为模拟程序，它可以在主程序内或独立执行模拟分析工作，以图形方式显示域的特性以及用户感兴趣的各种数值特性。 武汉理工大学《光电子 应用 》课程设计说明书 2 2原理分析 均匀介质薄膜波导 薄膜波导是最简单的光波导类型，对薄膜波导的分析，在光波导领域具有典型意义。 另一方面，薄膜波导又是集成光学的技术基础。 ⑴波导结构 薄膜波导也称平面介质波导，其结构如图 所示，是由两层低折射率介质膜和中间夹有的一层高折射率介质膜所组成的三层结构。 中间一层 称为芯层，折射率为 n1，是光波传播的通道，下面一层称为衬底，折射率为 n2，上面一层称覆盖层，折射率 n3。 上下两层都是限制光线的阻挡层。 为了保证光线在芯层的传播，必须要求 n1大于 n2 和 n3，一般设定 n1＞ n2 ＞ n3。 ⑵波导光线 均匀介质波导的芯层光线沿直线传播，经与上下界面的反射和折射，形成锯齿形光线。 光线可分为两种，满足全反射条件的光线，始终被束缚在芯层内，称为束缚光线或导波光线，未满足全反射条件的光线称为折射光线或辐射光线，这种光线可穿过界面进入衬底或覆盖层。 ⑶导波条件 假定芯层的锯齿形光线向 z 方向传播，但是局部光线的指向却有上倾和下倾两种可能，即波矢量 K 不是唯一确定的，其 x 方向分量  cosKnK 01x1 具有双值不确定性。 然而 K 的 z 分量  sinKnK 01z1 却是唯一确定的，而且在一条光线的传播过程中始终保持不变以，这是一个重要的不变量，以  表示，称z   n3 复盖层 n1 芯层 n2 衬底 图 薄膜波导示意图 x 武汉理工大学《光电子 应用 》课程设计说明书 3 为传播常数。 因而  co sKns inKn 0101 （ ） 因为导波光线必须满足界面反射条件，即 sin ＞ 12 n/n ，所以传播常数  必须满足以下条件 01Kn ＞  ＞ 02Kn （ ） ()式被称为导波条件，适用于多种类型的波导。 有的文献定 义参数 0K/为有效折射率 (或用 efn 表示 )，因而导波条件也可表示为 1n ＞  ＞ 2n () 均匀介质波导的缺点是存在多模色散问题，即不同光线之间存在传播时间差。 锯齿形光线的传播时间为 ，其中 z 为传播距离， 为光线与 z轴的夹角， 因为受到全反射条件的限制， 12 n/n ＜ cos ＜ 1，所以导波光线之间的最大时间差可表示为 () 其中，为折射率相对偏差。 为了克服这种多模色散问题，出现了特殊设计的非均匀介质波导。 平面光波导 按几何光学概念，凡是满足 的光线均可在波导中 低损耗传输。 情况并非如此，只有某些分离的角的光线才能建起真正的有效传播。 其模式将由光波导参数方程及电磁场方程及边界条件导出。 这里可以从平面波简单理论得到相同的结果。 如图 所示： 01 90cz)1nn(c znt 1211 武汉理工大学《光电子 应用 》课程设计说明书 4 图 平面波导传输示意图 对平面波 BB39。 ,CC同相位 ,可见由 B到 C ,由 B39。 到 C。