目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"摘要 2Abstract 3\o"CurrentDocument"緒論 4平板波導(dǎo) 錯誤！未定義書簽。1.1平板波導(dǎo)簡介 錯誤！未定義書簽。1.2平板波導(dǎo)基本結(jié)構(gòu)與模式 錯誤！未定義書簽。1.3對稱平板波導(dǎo) 錯誤！未定義書簽。1.4光纖光柵譜 錯誤！未定義書簽。1.5對稱平板波導(dǎo)的應(yīng)用 錯誤！未定義書簽。TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"Beamprop介紹 7\o"CurrentDocument"3光譜仿真 8\o"CurrentDocument"3.1BeamProp參數(shù)設(shè)置步驟 8\o"CurrentDocument"3.2檢查指數(shù)資料 10\o"CurrentDocument"3.3分析建立 11\o"CurrentDocument"3.4仿真 11\o"CurrentDocument"3.5在波長上的掃描 124心得體會 錯誤！未定義書簽。參考文獻(xiàn) 錯誤！未定義書簽。摘要光纖是一種很常見的介質(zhì)光波導(dǎo)，其截面為圓形，但在集成光學(xué)中，人們更感興趣的是在芯片上集成平面光波導(dǎo)。分析平板波導(dǎo)有兩種基本理論：1.幾何光學(xué)理論，2.電磁場理論。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。當(dāng)襯底層和覆蓋層材料折射率相等時，稱其為對稱平板波導(dǎo)。覆蓋層折射率n2導(dǎo)波層折射率n1襯底層折射率n0導(dǎo)波層厚度為H光線在上下界面上均發(fā)生全反射，假設(shè)y方向均勻，則光線的波矢在xz方向上有相應(yīng)的分量（平板波導(dǎo)可不考慮y方向）。本文介紹的是通過Beamprop軟件進(jìn)行平板波導(dǎo)光譜仿真，Beamprop是一款實(shí)用性非常強(qiáng)的光學(xué)應(yīng)用軟件，本文包含了Beamprop軟件的介紹、平板波導(dǎo)的原理以及進(jìn)行光譜分析及仿真。關(guān)鍵詞：對稱平板波導(dǎo)；Beamprop；光譜仿真AbstractOpticalfiberisoneofthemostcommonmediumopticalwaveguide,thecrosssectionisround,butinintegratedoptics,peoplearemoreinterestedinthechipintegratedplanarwaveguide.Analysisplanarwave-guidetherearetwobasictheory:1.Thegeometricopticaltheory,2.Electromagneticfieldtheory.Planarwave-guidebythreemediacomposition,refractiveindexlayermediumisthelargest,calledwaveguidelayer.Theupperandlowerlevelsrefractiveindexislow,respectivelycalledcoatingandsubstratelayer.Whensubstratelayerandcovermaterialrefractiveindexequal,calledthesymmetricplatewaveguide.Refractiveindexlayerofn2guidedwavelayerrefractiveindexn1substratelayerrefractiveindexn0guidedwavelayerthicknessforHThelightintheinterfaceoftheupanddownallhappenedtotalreflection,supposeydirectioneven,lightisthewaveinxzdirectionarrowonthecorrespondingcomponent(planarwave-guidedon'tconsiderydirection).ThispaperintroduceisthroughtheBeampropsoftwareplanarwave-guidespectrumsimulation,Beampropisapracticalverystrongopticalapplicationssoftware,thisarticlecontainsBeampropsoftwareisintroduced,theprincipleofplanarwave-guideandspectralanalysisandsimulation.Keywords:symmetricalplanarwave-guide;Beamprop;Spectrumsimulation緒論光束在介質(zhì)中傳輸時，由于介質(zhì)的吸收和散射而引起損耗，由于繞射而引起發(fā)散，這些情況都會導(dǎo)致光束中心部分的強(qiáng)度不斷地衰減。因此，有必要設(shè)計制作某種器件，它能夠引導(dǎo)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(dǎo)，簡稱波導(dǎo)。結(jié)構(gòu)最簡單的波導(dǎo)是由三層均勻介質(zhì)組成的，中間的介質(zhì)層稱為波導(dǎo)層或芯層，芯兩側(cè)的介質(zhì)層稱為包層。芯層的介電常數(shù)比芯兩側(cè)包層的介電常數(shù)稍高，使得光束能夠集中在芯層中傳輸，因而起到導(dǎo)波的作用。這種波導(dǎo)的介電常數(shù)分布是陡變的，也稱為階梯變化的，常稱這種波導(dǎo)為平板波導(dǎo)。最簡單的平板型光波導(dǎo)是由沉積在襯底上的一層均勻薄膜構(gòu)成，因而又叫做薄膜波導(dǎo)。對光波導(dǎo)特性的分析，應(yīng)用兩種理論，即射線光學(xué)理論和波動光學(xué)理論。射線光學(xué)理論的優(yōu)點(diǎn)是對平板波導(dǎo)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(diǎn)是對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的多層波導(dǎo)射線光學(xué)理論不便于應(yīng)用，或只能得出粗糙的結(jié)果。一般而言，若想全面正確地分析各種結(jié)構(gòu)的光波導(dǎo)的模式特性，還必須采用波動理論。1.平板波導(dǎo)1.1平板波導(dǎo)簡介光纖是一種很常見的介質(zhì)光波導(dǎo)，其截面為圓形，但在集成光學(xué)中，人們更感興趣的是在芯片上集成平面光波導(dǎo)圖1.1平板波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖（由覆蓋層，導(dǎo)波層，襯底組成）圖1.2條形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖平板波導(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。當(dāng)襯底層和覆蓋層材料折射率相等時，稱其為對稱平板波導(dǎo)。幾何光學(xué)理論當(dāng)滿足全反射條件時，光線會在導(dǎo)波層上下介質(zhì)界面處發(fā)生全反射，并沿Z軸傳輸。覆蓋層折射率n2導(dǎo)波層折射率nl襯底層折射率no導(dǎo)波層厚度為H光線在上下界面上均發(fā)生全反射，假設(shè)y方向均勻，則光線的波矢在x方向上有相應(yīng)的分量（平板波導(dǎo)可不考慮y方向）。

波矢量之間的關(guān)系波矢量之間的關(guān)系當(dāng)只考慮X方向上光線傳播時，可見光線總是在上下兩表面反射現(xiàn)假設(shè)一光線入射到下界面，發(fā)生全反射，然后又與上表面發(fā)生全反射，再次回到下表面發(fā)生全反射。此時，此光線會與原先從下表面出發(fā)的光波疊加在一起，發(fā)生干涉。并且兩束相干光波的位相差為：Ap=2Kh-2Q-2Q1210如果相干相長，即滿足諧振條件，則此入射角對應(yīng)的光線（模式）可以被導(dǎo)波所接受2Kh-2Q-2Q二2m兀1210對于特征方程中的是上下界面處全反射所引起的相移，那么具體可根據(jù)菲涅爾公式求出。ncos9—ncos9r二r二i i 2 2stencos9+ncos9i i 2 2ncos9—ncos9r二r二2ii2

pTMncos9+ncos9TE模表示電矢量的偏振方向垂直于入射面，磁矢量的偏振方向在入射面內(nèi)TM模表示電矢量的偏振方向在入射面內(nèi)，磁矢量的偏振方向垂直于入射面?te=?te=/m2sin29一n2

arctan(+ + 2)n2—n2sin29i i i(、n2［盂J2?Tm=arCtanIn2sin29—n2 1 In2—n2sin29i i i-以上相移公式是在n1n2介質(zhì)界面上推倒得到，如果是在n0n1介質(zhì)界面，只需將n2換成nO。2Beamprop介紹BeamPROP是一個高度集成了計算機(jī)輔助設(shè)計和模擬仿真的專業(yè)軟件，專用于設(shè)計集成光學(xué)波導(dǎo)元件和光路。此軟件由美國RSOFT公司出品，1994年投入市場，被學(xué)院及產(chǎn)業(yè)公司的開發(fā)設(shè)計人員廣泛使用。此軟件使用先進(jìn)的有限差分光束傳播法(finite-differencebeampropagationmethod)來模擬分析光學(xué)器件。用戶界面友好，分析和設(shè)計光學(xué)器件輕松方便。其主程序?yàn)橐惶淄晟频挠糜谠O(shè)計光波導(dǎo)元件和光路CAD設(shè)計系統(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(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。3光譜仿真3.1BeamProp參數(shù)設(shè)置步驟打開BeamProp軟件所在文件夾，打開CADLayout程序，開始這次的光譜仿真。首先在菜單中選擇"NewCircuit",然后修改其中的"FreeSpaceWavelength”、“BackgroundIndex”、"IndexDifference”和“WaveguideWidth”參數(shù)，參數(shù)設(shè)置如圖3.1所示。叵］GlobalSettingsWindow GLOBALSETTINGS2D3DC2D3DCFullWAVE/FDTDCBandSOLVEWaveguideModelDimension:RadialCalculation:EffectiveIndexCalculation:Polarization:SimulationTool:BeamPROP/BPM「GratingMODCDiffractMODBPMOptions:VectorMode:(*None「Semi「FullBidirectionalCalculation:雨FDTDOptions:DispersiorVMcinlinearity:圖3.1FreeSpaceWavelength:3DStructureType:BackgroundIndex:CoverIndex:IndexDifference:SlabIndex:WaveguideWidth:ProfileType:Cancel變量然后點(diǎn)擊“EditSymbols"SlabHeight:，如表3.|i|background_index+(|oEditLayers...EditTensors...1所示：意義Period0.5光柵結(jié)構(gòu)的周期LinPeriodX4輸入波導(dǎo)的長度LoutLin輸出波導(dǎo)的長度M40光柵結(jié)構(gòu)中的總周期數(shù)deltagrating0.05光柵結(jié)構(gòu)中的最大指數(shù)干擾表3.1變量定義表

然后進(jìn)行光柵的繪制，通過鼠標(biāo)的點(diǎn)擊與拖動畫出三層光柵，其中第二層的首端與第一層的末端連接，第三層的首端與第二層的末端連接，然后每層分別都要進(jìn)行設(shè)置，通過右鍵點(diǎn)擊光柵層就可以修改參數(shù)，第一層的參數(shù)設(shè)置如圖3.2所示：PropertiesforSegment#1CombineMode:WidthMeasure:S已g匚CombineMode:WidthMeasure:S已g匚i『i已ntation:Stru匚tu『已Tvpe:ProfileType:StartingVertexEndingVertexStartingVertexEndingVertexMaterialProperties:|LocallyDefined二|MaterialProperties:IndexDifference:X:|deltaIndex(imagpart):WaveguideWidth:WaveguideHeight:YPosition:ReferenceT^pe::而第三層參數(shù)設(shè)修改為nLOut。，髀第二層需ReferenceTvpe:置就是將末端z值「AngleX:|0Referen匚已Tvpe:Lin1電MaterialProperties:|LocallyDefined二|MaterialProperties:IndexDifference:X:|deltaIndex(imagpart):WaveguideWidth:WaveguideHeight:YPosition:ReferenceT^pe::而第三層參數(shù)設(shè)修改為nLOut。，髀第二層需ReferenceTvpe:置就是將末端z值「AngleX:|0Referen匚已Tvpe:Lin1電Offsi「Angl|LocallyDefinedIndexDifference:Inden(imagpart):WaveguideWidth:WaveguideH已ight:YPosition:討論，如圖3.4所示修改為（detta_gratinPeViOd，還要點(diǎn)擊“M要exDiff，所以PaiametColor”為黃色。g，光柵長度設(shè)為M0rence”KererenXCompon? ee ?■3UserFunctionEditorUserFunction:|UserTaper1SourceType:|E:-:press：ionJFileName/Expression z=0^1:f=0J]|step(Mxz)z/xPoints:|SKM+1z/xMin:yPoints:[ioFyMin:Referen匚已Tvpe:None[oz/xMax:廠“DsPiay：除此之外，還要對光柵損耗進(jìn)行定義，選擇“IndexTaper”修改為圖3.3所示，這是非常重要的IR步，假若沒有這IR步，將會發(fā)生錯誤。常重要的IR步，假若沒有這IR步，將會發(fā)生錯誤。圖3.3.麗PropertiesforSegment#2StructureType:DefaultJPositionTaper:NoneJProfileType:Default二IndexTaper:User1JCombineMode:DefaultTWidthT日per:|^one▼WidthMeasure:|Default3HeightTaper:None.麗PropertiesforSegment#2StructureType:DefaultJPositionTaper:NoneJProfileType:Default二IndexTaper:User1JCombineMode:DefaultTWidthT日per:|^one▼WidthMeasure:|Default3HeightTaper:None-SegOrientation:|zAxis3￥PosTaper:|NoneJCancelArcData...More...Starting訂引館*EndirigVertexMaterialProperties:MaterialProperties:IndexDifference:Index(imagpart):WaveguideWidth:WaveguideHeight:YPosition:X:|0ReferenceType:廠None(*Offset廠AngleParameterValue:[0ReferenceTo:Compon亡nt:pj-口Vertex:(LocallyDefined |IndexDifference:Index(imagpart):WaveguideWidth:WaveguideHeight:YPosition:X:FReferenceType:廠None(*Offset廠AngleParameterValue:[0ReferenceTo:Component:f2~Vertex:Io(LocallyDefined |圖3.43.2檢查指數(shù)資料為了看清楚光柵結(jié)構(gòu)的指數(shù)損耗，我們需要檢查XZplane中的指數(shù)資料。點(diǎn)擊“ComputeIndexProfile"按鈕就可查看并修改了。如表3.2所示:方面取值描述DisplayModeContourMap(XZ)XZplane為期望值ZComputeStep0.25取值足夠小那么我們能看清楚光柵結(jié)構(gòu)ZSliceStep0.25保證光柵結(jié)構(gòu)可見表3.2

3.3分析建立現(xiàn)在光柵結(jié)構(gòu)已經(jīng)定義好了，就需要監(jiān)測器去查看分析。點(diǎn)擊左側(cè)工具欄中的“E