《光電子應用》課程設計-錐形波導模式轉換器的設計.doc

課程設計任務書學生姓名： 專業(yè)班級： 電子1103 指導教師： 工作單位： 信息工程學院 題 目：錐形波導模式轉換器的設計 初始條件：具有光電子技術的基本理論知識及較強的實踐能力；對光纖技術有一定的了解；計算機；beamprop軟件。 要求完成的主要任務： 1.學習beamprop軟件；2.錐形波導模式轉換器的相關理論分析；3.用beamprop軟件對錐形波導模式轉換器進行仿真；4.查閱篇參考文獻，按武漢理工大學課程設計工作規(guī)范要求完成課程設計報告，正文10-15頁，用A4紙打印。時間安排：12014年12月15日布置課程設計任務，完成選題； 22014年12月16日至2014年12月19日學習beamprop軟件，完成資料查閱，復習與選題內(nèi)容相關的基本理論知識；3.2014年12月20日至2014年12月25日對模式轉換器進行仿真工作，完成課程設計報告撰寫；4. 2014年12月26日提交課程設計報告，進行課程設計驗收和答辯。指導教師簽名： 年 月 日系主任（或責任教師）簽名： 年 月 日目錄摘要I1緒論12光束傳播法32.1BPM介紹32.2BPM基本原理32.3Beamprop簡介53錐形波導設計63.1錐形波導結構63.2錐形波導軟件設計74仿真結果分析105心得體會13參考文獻14武漢理工大學光電子應用課程設計說明書摘要 集成光學是將半導體激光器，光調制器，接收器等光子和光電子元件為核心進行集成，以實現(xiàn)一定功能。集成光學集中并發(fā)展了光學和微電子學的固有技術優(yōu)勢，將由分離器件構成的龐大的傳統(tǒng)光電系統(tǒng)變革為集成光學系統(tǒng)，自從1970 年成功研制了低損耗光纖之后，低損耗一直就作為人們研究的主題。從光纖到波導以及從波導到光纖的耦合損耗都會因模式不匹配而變大為了減小光纖與波導之間的耦合損耗, 需要對波導中的模場分布進行轉換, 使其與光纖中的模場分布相匹配。通常可以采用錐形波導來實現(xiàn)這種模式轉換,而在實際生產(chǎn)過程中，錐形波導也因為擁有設計簡單，生產(chǎn)成本低等優(yōu)點備受關注。 因此在本文中，我們將重點分析錐形波導的設計與優(yōu)化。主要是通過理論分析和仿真實驗，研究分析錐形波導的幾何形狀等因素對錐形光纖的傳輸損耗和傳輸效率的影響。 關鍵詞：集成光學 低損耗 錐形波導 模式轉換I1緒論波導是用來定向引導電磁波的結構。常見的波導結構主要有平行雙導線、同軸線、平行平板波導、矩形波導、圓波導、微帶線、平板介質光波導和光纖。從引導電磁波的角度看，它們都可分為內(nèi)部區(qū)域和外部區(qū)域，電磁波被限制在內(nèi)部區(qū)域傳播。通常，波導專指各種形狀的空心金屬波導管和表面波波導，前者將被傳輸?shù)碾姶挪ㄍ耆拗圃诮饘俟軆?nèi)，又稱封閉波導；后者將引導的電磁波約束在波導結構的周圍，又稱開波導。當無線電波頻率提高到3000兆赫至 300吉赫的厘米波波段和毫米波波段時，同軸線的使用受到限制而采用金屬波導管或其他導波裝置。在集成光波導器件的應用中, 波導與外界光纖之間的耦合尤其值得關注, 從光纖到波導以及從波導到光纖的耦合損耗都會因模式不匹配而變大。當波導中的模場尺寸比單模光纖中的模場小3倍時, 兩者之間的耦合損耗將高達4. 5 14 dB。為了減小光纖與波導之間的耦合損耗, 需要對波導中的模場分布進行轉換, 使其與光纖中的模場分布相匹配。通?？梢圆捎缅F形波導來實現(xiàn)這種模式轉換, 錐形波導的物理尺寸或折射率緩慢變化, 實現(xiàn)模式的絕熱轉換尺寸錐形結構是通過波導的寬度或厚度的緩慢變化來實現(xiàn)的另外,還可以采用折射率錐形結構來實現(xiàn)模式轉換, 采用折射率錐形時, 波導的物理尺寸可以保持不變, 通過折射率的緩慢變化實現(xiàn)寬度和厚度方向的模場轉換。 光波導是將能實現(xiàn)多個功能的模塊集成到一個體積非常小的芯片上，但單模光纖的模場尺寸要比集成塊輸入輸出波導大很多，若直接接入，則接口處會產(chǎn)生較大的損耗。并且模場不匹配是光電半導體芯片中光纖和波導存在耦合的最本質的原因，所以，為了實現(xiàn)低損耗連接，降低模場不匹配引起的耦合損耗是非常重要的，其中一個辦法是，在光纖和有向波導之間插入模場轉換波導，而模場的大小跟波導參數(shù)有關，當改變波導相應參數(shù)時，光模式的模場大小和形狀將不同，可以實現(xiàn)模式的轉換。 本次課程設計主要是通過理論分析和仿真實驗，研究分析錐形波導的幾何形狀對錐形光纖的傳輸損耗和傳輸效率的影響。2光束傳播法2.1BPM介紹 BPM（Beam Propagation Method)是廣泛應用于集成模式和光電光纖器件的傳播法，并且很多商業(yè)化軟件建模是在此基礎上建立的。BPM普及的原因有很多，最重要的是,它在概念上簡單明了,允許基本技術的快速實行。在概念上簡單，對于BPM建模工具的使用者和制定者非常有利，因為通過非專業(yè)數(shù)值計算方法更易于得到可理解的結果和合適的使用方法。除了其相對簡單這個優(yōu)點外,BPM在計算一些復雜問題時，也是一個非常有效的方法，并且能夠得到最優(yōu)解。BPM的第三個特點是,這種方法能夠在無需開發(fā)特定設計版本的情況下，很容易地應用到復雜的幾何圖形中。該方法可以對有向輻射場以及模式耦合和轉換產(chǎn)生一定的影響。BPM技術是非常靈活的，并且是可擴展的，包含大部分有關效果（例如極化、非線性等)，都是通過基本方法的擴展以適應相同的總體框架。BPM 應用在建模光子器件的不同方面或電路中。包括各種無源波導器件，信道分路濾波器，電光調制器，多模波導設備，環(huán)狀激光器，光學延遲線電路，光學連接，偏振分離器，多模干涉裝置，絕熱耦合器，波導偏振器件和極化旋轉器。上面大多數(shù)引用需要實驗演示的新穎裝置的概念可以通過BPM 設計全部或部分。在下面部分，將解釋BPM 的基本原理和邊界條件并且給出理論參考值。2.2BPM基本原理波束傳播法求解時需要兩個基本的已知條件，即波導結構的折射率分布和波導輸入端的輸入光波的場分布用該算法對確定的和波導傳輸進行數(shù)值模擬計算時還需要已知以下輸入變量：(1)計算區(qū)域和(2)橫向柵格尺寸x和y；(3)縱向步進z。在標量近似的情況下，波導中的光波可用表征單色光波的亥姆霍茲方程表示： （2-1）其中為圓波數(shù)，。為波導的折射率?？紤]到在典型的波導問題中，場 速變部分是沿波導軸向傳輸引起的位相變化，假設波導軸只要是沿Z 向，那么可以引入一個所謂的慢變場u，設： （2-2)其中，是參考波數(shù)，用于表示場的平均相位變化。參考波數(shù)通常通過以參考折射率的形式表示。是任意常數(shù)，要求它的選擇使u 是z的慢變函數(shù)。把（2-2）式代入到Helmholtz 方程便可得到慢變場所滿足的方程為： （2-3)方程（2-3）同確切的Helmholtz 方程式完全等效的。若u隨z的變化足夠慢，方程（2-3）的第一項同第二項相比就可以忽略不計，這就是通常的慢變包絡近似，也稱為傍軸或拋物近似。經(jīng)計算，可得到： （2-4）這是基本的三維標量形式的BPM 方程，若忽略與y有關的項就可得到二維標量形式的 BPM 方程。給定一個輸入場，上述方程決定了在空間z0內(nèi)的場分布。 對許多具體的問題，速變位相因子的引入，可使得在數(shù)值計算中，網(wǎng)格在縱向（即z方向）大于光波長，這很大程度上提高了數(shù)值計算的效率。此外，和z有關的二次微分項的忽略，使二階邊值問題，轉變?yōu)橐浑A初始值問題，這一點也同樣提高了BPM 方法的計算效率。 但慢變包絡近似使我們只能考慮波導中沿z 軸附近的傳播場，這也對參考折射率的選擇有了限制。而對于如多模干涉波導器件中所存在的有復雜的位相變化的場，利用該式就不能進行精確地模擬。112.3Beamprop簡介 BeamPROP 是一個高度集成了計算機輔助設計和模擬仿真的專業(yè)軟件，專用于設計集成光學波導元件和光路。此軟件由美國RSOFT 公司出品，1994 年投入市場，被學院及產(chǎn)業(yè)公司的開發(fā)設計人員廣泛使用。此軟件使用先進的有限差分光束傳播法來模擬分析光學器件。其主程序為一套完善的用于設計光波導元件和光路CAD 設計系統(tǒng)，且可控制相關的模擬參數(shù)，如：數(shù)值參數(shù)、輸入場以及各種顯示、分析能選項。另一功能為模擬程序，它可以在主程序內(nèi)或獨立執(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BeamPROP 的波導和光纖制圖部分是完全的CAD 系統(tǒng)，它可以提供特殊需要的光學設備和光路,基礎波導組件很容易在工具欄內(nèi)選擇（有直線的、錐形的、曲線的、Y 形分岔的波導），并用鼠標添加到光路中。3錐形波導設計3.1錐形波導結構 錐形波導能夠實現(xiàn)模式的轉換, 減小耦合損耗,但錐形波導自身也會帶來新的損耗: 波導邊界波動產(chǎn)生的輻射損耗, 波導折射率波動產(chǎn)生的輻射損耗,波導錐形的材料吸收損耗等從便于制作，同時也可以減小波導與光纖之間的耦合損耗這兩個方面考慮，應該選擇利用寬度緩慢變化來設計錐形波導。錐形波導的一般結構如圖3-1 所示，圖中為錐形波導的長度，和分別為輸入口和輸出波導寬度。顯然， ，即輸入寬度要大于輸出寬度，通常一般設定為10m 左右，一般設為3 m 左右，輸入波導采用錐形結構，兩邊的邊界離中線的距離逐漸減小，從而形成了錐形結構，折射率也保持1.5 不變，輸出波導也保持折射率1.643不變。輸入波導可以很好的跟單模光纖匹配。錐形光纖的結構如圖1 所示，其實在實際設計時，錐形部分不是真正的錐形，而是梯形，但由于梯形的上低很小，約為0.1 m，所以將其近似看做是錐形結構。結構中是光錐長度， 是光錐錐度，a 是光纖錐的粗端半徑，b 是尖端半徑。通過簡單計算可得錐形光纖幾何參數(shù)之間的關系： (3-1)可見其他參數(shù)已設定的情況下，尖端直徑越大，越大；光纖的錐形過渡區(qū)越短，即值越小相對的錐角 就越大，錐形變化也就越尖銳。圖3-1 錐形結構波導圖3.2錐形波導軟件設計本次設計運用軟件BeamPROP，此軟件是一個高度集成了計算機輔助設計和模擬仿真的專業(yè)軟件，專用于設計集成光學波導元件和光路。使用現(xiàn)金的有限差分光束傳播法來模擬分析光學器件。下面將介紹本次設計過程中的一些重要步驟： 1.點擊RSoft CAD-Layout 進入操作頁面，并點擊“File”中的“New”按鈕，新建文件，這時會出現(xiàn)新建文件的基本參數(shù)選擇窗口，如圖3-2所示。圖3-2 全局參數(shù)設置 2.在圖3-2中點擊“ok”進入畫面界面，在左邊的工具欄中選擇畫圖的線條類型。本次課設中只用到了直線。在設計時，根據(jù)本次設計要求所設計出錐形波導。其中錐形部分是改變直行波導的終點寬度而得到的，在畫圖所需的波導簡易圖之后，要設置每一個波導管的參數(shù)，如圖3-3所示。并且在設置參數(shù)的過程中，先要定義一個變量的數(shù)值，這樣是為了方便之后改變數(shù)值。如3-4所示。在參數(shù)設定完成之后，波導的設計部分就完成了，結果如圖3-5 所示。圖3-3 變量設置圖3-4 插入變量圖3-5 錐形波導4仿真結果分析 首先需要對所畫的圖形設置路徑，如圖4-1所示，在本次課設中只設置了一條路徑。圖4-1 傳輸路徑設置 如圖4-2，在launch中添加已經(jīng)做好的光源，接下來在display mode選項里選擇slices，其他選項為默認的選項，設置好參數(shù)。點擊“ok”即可得到圖11中的仿真結果。圖4-2 仿真參數(shù)設置 錐形波導的折射率分布則如圖4-3和圖4-4，在本次課設中，折射率設定為軟件中自帶的線性分布。圖4-3 折射率在xz軸截面上分布圖4-4 折射率在3D截面上分布圖4-5 仿真結果在仿真過程中，設置參數(shù)taperL起始值為50，終止值為100，間隔為50，設置參數(shù)width起始值為1，終止值為4，間隔為1，最終得到全部仿真結果。圖4-6 參數(shù)掃描仿真結果 5心得體會 最初拿到這個課程設計的題目時，可以說是對這次課設所用的軟件及課程設計中應用到的原理是一無所知的，但經(jīng)過了兩周的學習，卻也是能順利的做出這次課設所要求的作品了，可以說在這次課程設計中我學到了不少知識，知道了光集成的各種應用，隨著光網(wǎng)絡技術的發(fā)展，對光電集成技術和光集成技術也會有更高的要求，了解到了采用寬度錐形結構，通過寬度的緩慢變化實現(xiàn)模場的轉換，錐形波導的寬度變化是線性的，所以錐形部分邊緣折射率的變化也是線性的，在實際制作中可通過灰度掩膜技術實現(xiàn)，因此可以很好地減小損耗，而且寬度錐形通常比較容易制作，并且有利于減小因波導邊界波動所帶來的輻射損耗。最后，通過理論分析和仿真實驗，研究分析了錐形波導的幾何形狀對錐形光纖的傳輸損耗和傳輸效率的影響。雖然在課設的過程中遇到過很多問題，但是在向同學的請教下和在網(wǎng)上查找資料的過程中，把這些問題也成功的一一解決了，總算是圓滿完成了這一次的課程設計任務。 總的來說，這次課設讓我受益匪淺，學習到了許多平時課堂上學習不到的知識，讓我們充分利用了課余的時間去學習新的知識，這次課設不僅讓我們學習到了光波導的知識，還讓我們知道了自己知道的東西還是太少，我們需要更多