非对称条形波导

课程设计任务书

学生姓名： 专业班级： 电子 班 指导教师： 洪建勋 工作单位： 信息工程学院

题 目: 非对称条形波导的模式计算 初始条件：

计算机、beamprop软件

要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写

等具体要求）

1、课程设计工作量：2周 2、技术要求：

（1）学习beamprop软件。 （2）设计非对称条形波导的模式计算

（3）对非对称条形波导的模式计算进行beamprop软件仿真工作。

3、查阅至少5篇参考文献。按《武汉理工大学课程设计工作规范》要求撰写设计报告书。全文用A4纸打印，图纸应符合绘图规范。

时间安排：

2013.12.9做课设具体实施安排和课设报告格式要求说明。

2013.12.10-2013.12.14学习beamprop软件，查阅相关资料，复习所设计内容的基本理论知识。

2013.12.-2013.12.19对非对称平板波导的模式计算进行设计仿真工作，完成 课设报告的撰写。

2013.12.20提交课程设计报告，进行答辩。

指导教师签名： 年 月 日 系主任（或责任教师）签名： 年 月 日

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目录

目录................................................................................................................................ 1 摘要................................................................................................................................ 2 Abstract .......................................................................................................................... 3 1.

设计原理................................................................................................................ 4 1.1光波导的概念.................................................................................................. 4 1.2 均匀介质薄膜波导 ........................................................................................ 5 2．Rsoft CAD软件介绍 .............................................................................................. 8 3．非对称波导绘制.................................................................................................... 10 4．非对称波导的仿真................................................................................................ 12

4.1 仿真设置....................................................................................................... 12

4.1.1光路探测器设置 ................................................................................ 12 4.1.2 光源设置 ........................................................................................... 13 4.2 仿真的结果................................................................................................... 14

4.2.1 光路图分析 ....................................................................................... 14 4.2.2 波导折射率分析 ............................................................................... 15 4.1.2 基膜仿真 ........................................................................................... 16

5．总结........................................................................................................................ 17 参考文献...................................................................................................................... 18

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摘要

本文研究的是非对称条形波导的模式计算和通过Beamprop软件进行的仿真，Beamprop是一款实用性非常强的，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。

文章主要内容有包从理论上推导的非对称条形波导的模式计算，Beamprop软件的介绍和利用BeamPROP软件对非对称条形仿真。我通过本次课程设计探究了非对称条形波导的模式分类及各自特点，得到了其仿真特性和一些仿真图，验证了相关理论，并且加深了对非对称条形波导的模式的理解。

关键词：非对称条形光波导； Rsoft CAD；仿真

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Abstract

The main contents of this paper is non-symmetric strip waveguide mode calculation and simulation carried out by Beamprop software, Beamprop is a practical, very strong, highly integrated computer-aided design and simulation professional software dedicated to the design of integrated optical waveguides and optical components.

The main content of the article is calculated theoretically has a bag of non-symmetric slab waveguide mode, Beamprop software introduction and use of asymmetric bars BeamPROP software emulation. I passed this course is designed to explore the asymmetric slab waveguide pattern classification and their characteristics, got some of its characteristics and simulation diagram simulation to verify the theory and deepened the asymmetric slab waveguide mode understanding.

Keywords: Asymmetrical strip waveguide; Rsoft CAD; simulation

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1. 设计原理

1.1光波导的概念

光束在介质中传输时，由于介质的吸收和散射而引起损耗，由于绕射而引起发散，这些情况都会导致光束中心部分的强度不断地衰减。因此，有必要设计制作某种器件，它能够引导光束的传播，从而使光束的能量在横的方向上受到限制，并使损耗和噪声降到最小，这种器件通常称为光波导，简称波导。结构最简单的波导是由三层均匀介质组成的，中间的介质层称为波导层或芯层，芯两侧的介质层称为包层。芯层的介电常数比芯两侧包层的介电常数稍高，使得光束能够集中在芯层中传输，因而起到导波的作用。这种波导的介电常数分布是陡变的，也称为阶梯变化的，常称这种波导为条形波导。最简单的条形型光波导是由沉积在衬底上的一层均匀薄膜构成，因而又叫做薄膜波导。

对光波导特性的分析，应用两种理论，即射线光学理论和波动光学理论。射线光学理论的优点是对条形波导的分析过程简单直观，对某些物理概念能给出直观的物理意义，容易理解。缺点是对于结构复杂的多层波导射线光学理论不便于应用，或只能得出粗糙的结果。一般而言，若想全面、正确地分析各种结构的光波导的模式特性，还必须采用波动理论。

波导是一种用来约束或引导电磁波的结构。通常，波导专指各种形状的空心金属波导管和表面波波导，前者将被传输的电磁波完全限制在金属管内，又称封闭波导；后者将引导的电磁波约束在波导结构的周围，又称开波导。当无线电波频率提高到3000兆赫至 300吉赫的厘米波波段和毫米波波段时，同轴线的使用受到限制而采用金属波导管或其他导波装置。波导管的优点是导体损耗和介质损耗小；功率容量大；没有辐射损耗；结构简单，易于制造。波导管内的电磁场可由麦克斯韦方程组结合波导的边界条件求解，与普通传输线不同，波导管里不能传输 TEM模，电磁波在传播中存在严重的色散现象，色散现象说明电磁波的传播速度与频率有关。表面波波导的特征是在边界外有电磁场存在 。其传播模式

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为表面波。在毫米波与亚毫米波波段，因金属波导管的尺寸太小而使损耗加大和制造困难。这时使用表面波波导，除具有良好传输性外，主要优点是结构简单，制作容易，可具有集成电路需要的平面结构。表面波波导的主要形式有：介质线、介质镜像线、H-波导和镜像凹波导。

波导（waveguide）用来引导电磁波的结构。因此，在广义的定义下，波导不仅是指空金属管，同时也包括其他波导形式如脊形波导、椭圆波导、介质波导等；还包括双导线、同轴线、带状线、微带和镜像线、单根表面波传输线等（下图）。如不附加说明，一般说到波导就是指空心金属管。根据波导横截面的形状不同，可分为矩形波导、圆波导等。尽管已存在很多不同波导形式，且新的形式还不断出现，但直到目前，在实际应用中矩形波导和圆波导仍是两种最主要的波导形式。

电磁波在波导中的传播受到波导内壁的限制和反射。波导管壁的导电率很高（一般用铜、铝等金属制成，有时内壁镀有银或金），通常可假定波导壁是理想导体，波导管内的电磁场分布可由麦克斯韦方程组结合波导的边界条件来求解。波导管内不能传输TEM波，电磁波在波导中的传播存在着严重的色散现象。波导中可能存在无限多种电磁场的结构或分布，每一种电磁场的分布称为一种波型（模式），每一种波型都有对应的截止波长和不同的相速。横截面均匀的空心波导称为均匀波导，均匀波导中电磁波的波型可分为电波（TM模）和磁波（TE 模）两大类。

1.2 均匀介质薄膜波导

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。

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x n3 复盖层 n1 芯层

??z n2 衬底

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。 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

?K??n1K0cos?K下倾两种可能，即波矢量不是唯一确定的，其x方向分量1x?K?n1K0sin?K具有双值不确定性。然而的z分量1z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，称为传播常数。因而

??n1K0sin??n1K0cos?

须满足以下条件

（1）

因为导波光线必须满足界面反射条件，即sin?＞n2/n1，所以传播常数?必＞n2K0 （2）

???/K0上式被称为导波条件，适用于多种类型的波导。有的文献定义参数

n为有效折射率(或用eff表示)，因而导波条件也可表示为

n1K0＞?n1＞?＞

n2 （3）

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，n2/n1＜cos?＜1，所以导波光线之间的最大时间差

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可表示为

n 1 z n 1 n 1 ? (4)

?t?

c(n2?1)?cz为了克服多模色散问题，出现了特殊设计的非均匀介质波导。

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2．Rsoft CAD软件介绍

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及用户感兴趣的各种数值特性。

Rsoft 软件界面介绍

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File：新建、打开、保存、打印、输出GDS2 等格式文件。 Edit：复制、粘贴、剪切、旋转、转换成多边形、平坦化。 View：全局视图、放大、缩小。 Option：选项设置、全局设置。 Run：计算

快捷按钮介绍如下。包括基本操作按钮、画图按钮、数据查看与仿真按钮。

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3．非对称波导绘制

进入RSoft CAD-Layout，点击新建文件，选择所绘制的非对称光波导的基本参数，选择情况如图所示，中央芯区折射率为1.4+2.1=3.5。所绘制的非对称条形波导的可变参量的设置如图所示。

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设定非对称条形波导的可变参数，设定值如图所示：

绘制的非对称条形波导的光路图如图所示：

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4．非对称波导的仿真

4.1 仿真设置

设置路径通过单击左侧工具栏中的“Edit Pathways”按钮。 单击后左侧工具栏会变成路径设置栏。点击“New”按钮，会新建一个路径，再左键点击我们画好的波导，使路径与波导相一致（此时波导会变绿色），然后再点击“Monitors”按钮，会弹出一个小对话框，设置一个与路径相匹配的探测器。本实验需要两个探测器，一个作为光路探测，其Type 为Lauch Power，如图所示；一个作为功率探测，其Type 为WG Power

4.1.1光路探测器设置

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4.1.2 光源设置

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4.2 仿真的结果

波导作为一种传输介质，我们所研究的就是其的传输特性，如果在制作之前可以模拟其传输特性，有利于信息的传输以及波导结构设计的改善，Computation Completed就是针对光路传输的一种仿真，通过监视器以及电源的设置，可以得到平面波导的光路传输图，以及功率分析，如图所示。

4.2.1 光路图分析

由传输仿真图可分析得，在平面波导中光路大体呈“之”字形，与理论分析的传输光路相似。

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4.2.2 波导折射率分析

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4.1.2 基膜仿真

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5．总结

通过仿真结果，我们可以看到波导的相关参数符合前文的计算，验证了非对称条形波导模式计算的理论部分，达到了预期的目的。

本次课程设计通过学习光波导相关知识以及Beamprop软件的相关功能操作，通过波导模型的设计，最终实现对称平面波导的模式计算，从仿真图客观的加深了理论知识的学习。回顾起此次光电子课程设计，至今我仍感慨颇多，的确，从理论到实践，在整整两星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。

同时，我也要对在课设中帮助过我的指导老师和各位同学表示衷心的感谢。

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参考文献

[1] 孙雨男.光纤技术.北京理工大学出版社.2006.8

[2] 马春生，刘式墉.:光波导模式理论.吉林大学出版社.2007.8 [3] 奥拉沃·索格尔德.光子微系统.东南大学出版社.20011.6 [4] 刘德明.光纤光学.国防工业出版社.1995

[5] 石顺祥.光电子技术及其应用.电子科技大学出版社.2000. [6] 蒋美萍, 陈宪锋, 王叶荟 含左手材料对称三层平板空气波导 的模式特性?? 光子学报, 2009

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本科生课程设计成绩评定表 姓 名 专业、班级 蒋建峰 性 别 电子1001班 男 课程设计题目：非对称条形波导的模式计算 课程设计答辩或质疑记录： 成绩评定依据： 最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）

指导教师签字：

年 月 日

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