錐形波導(dǎo)的設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名： 彭雪峰 專業(yè)班級(jí)： 電子1103 指導(dǎo)教師： 曠海蘭 工作單位： 信息工程學(xué)院 題 目：錐形波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì) 初始條件：具有光電子技術(shù)的基本理論知識(shí)及較強(qiáng)的實(shí)踐能力；對(duì)光纖技術(shù)有一定的了解；計(jì)算機(jī)；beamprop軟件。 要求完成的主要任務(wù)： 1.學(xué)習(xí)beamprop軟件；2.錐形波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器的相關(guān)理論分析；3.用beamprop軟件對(duì)錐形波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器進(jìn)行仿真；4.查閱篇參考文獻(xiàn)，按武漢理工大學(xué)課程設(shè)計(jì)工作規(guī)范要求完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告，正文10-15頁(yè)，用A4紙打印。時(shí)間安排：12014年12月15日布置課程設(shè)計(jì)任務(wù)，完成選題； 22014年12月16日至2014

2、年12月19日學(xué)習(xí)beamprop軟件，完成資料查閱，復(fù)習(xí)與選題內(nèi)容相關(guān)的基本理論知識(shí)；3.2014年12月20日至2014年12月25日對(duì)模式轉(zhuǎn)換器進(jìn)行仿真工作，完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告撰寫；4. 2014年12月26日提交課程設(shè)計(jì)報(bào)告，進(jìn)行課程設(shè)計(jì)驗(yàn)收和答辯。指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)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(jiǎn)介53錐形波導(dǎo)設(shè)計(jì)63.1錐形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)63.2錐形波導(dǎo)軟件設(shè)計(jì)74仿真結(jié)果分析105心得體會(huì)13參考文獻(xiàn)14武漢理工大學(xué)光電子應(yīng)用課程設(shè)計(jì)說明書摘要 集成光學(xué)是將半導(dǎo)體激光器，光調(diào)制器

3、，接收器等光子和光電子元件為核心進(jìn)行集成，以實(shí)現(xiàn)一定功能。集成光學(xué)集中并發(fā)展了光學(xué)和微電子學(xué)的固有技術(shù)優(yōu)勢(shì)，將由分離器件構(gòu)成的龐大的傳統(tǒng)光電系統(tǒng)變革為集成光學(xué)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(dǎo)以及從波導(dǎo)到光纖的耦合損耗都會(huì)因模式不匹配而變大為了減小光纖與波導(dǎo)之間的耦合損耗, 需要對(duì)波導(dǎo)中的模場(chǎng)分布進(jìn)行轉(zhuǎn)換, 使其與光纖中的模場(chǎng)分布相匹配。通常可以采用錐形波導(dǎo)來實(shí)現(xiàn)這種模式轉(zhuǎn)換,而在實(shí)際生產(chǎn)過程中，錐形波導(dǎo)也因?yàn)閾碛性O(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)備受關(guān)注。 因此在本文中，我們將重點(diǎn)分析錐形波導(dǎo)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。主要是通過理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)，研究分

4、析錐形波導(dǎo)的幾何形狀等因素對(duì)錐形光纖的傳輸損耗和傳輸效率的影響。 關(guān)鍵詞：集成光學(xué) 低損耗 錐形波導(dǎo) 模式轉(zhuǎn)換1緒論波導(dǎo)是用來定向引導(dǎo)電磁波的結(jié)構(gòu)。常見的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)主要有平行雙導(dǎo)線、同軸線、平行平板波導(dǎo)、矩形波導(dǎo)、圓波導(dǎo)、微帶線、平板介質(zhì)光波導(dǎo)和光纖。從引導(dǎo)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(dǎo)專指各種形狀的空心金屬波導(dǎo)管和表面波波導(dǎo)，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(dǎo)；后者將引導(dǎo)的電磁波約束在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的周圍，又稱開波導(dǎo)。當(dāng)無(wú)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(shí)，同軸線的使用受到限制而采用金屬波導(dǎo)管

5、或其他導(dǎo)波裝置。在集成光波導(dǎo)器件的應(yīng)用中, 波導(dǎo)與外界光纖之間的耦合尤其值得關(guān)注, 從光纖到波導(dǎo)以及從波導(dǎo)到光纖的耦合損耗都會(huì)因模式不匹配而變大。當(dāng)波導(dǎo)中的模場(chǎng)尺寸比單模光纖中的模場(chǎng)小3倍時(shí), 兩者之間的耦合損耗將高達(dá)4. 5 14 dB。為了減小光纖與波導(dǎo)之間的耦合損耗, 需要對(duì)波導(dǎo)中的模場(chǎng)分布進(jìn)行轉(zhuǎn)換, 使其與光纖中的模場(chǎng)分布相匹配。通?？梢圆捎缅F形波導(dǎo)來實(shí)現(xiàn)這種模式轉(zhuǎn)換, 錐形波導(dǎo)的物理尺寸或折射率緩慢變化, 實(shí)現(xiàn)模式的絕熱轉(zhuǎn)換尺寸錐形結(jié)構(gòu)是通過波導(dǎo)的寬度或厚度的緩慢變化來實(shí)現(xiàn)的另外,還可以采用折射率錐形結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)模式轉(zhuǎn)換, 采用折射率錐形時(shí), 波導(dǎo)的物理尺寸可以保持不變, 通過折射率的

6、緩慢變化實(shí)現(xiàn)寬度和厚度方向的模場(chǎng)轉(zhuǎn)換。 光波導(dǎo)是將能實(shí)現(xiàn)多個(gè)功能的模塊集成到一個(gè)體積非常小的芯片上，但單模光纖的模場(chǎng)尺寸要比集成塊輸入輸出波導(dǎo)大很多，若直接接入，則接口處會(huì)產(chǎn)生較大的損耗。并且模場(chǎng)不匹配是光電半導(dǎo)體芯片中光纖和波導(dǎo)存在耦合的最本質(zhì)的原因，所以，為了實(shí)現(xiàn)低損耗連接，降低模場(chǎng)不匹配引起的耦合損耗是非常重要的，其中一個(gè)辦法是，在光纖和有向波導(dǎo)之間插入模場(chǎng)轉(zhuǎn)換波導(dǎo)，而模場(chǎng)的大小跟波導(dǎo)參數(shù)有關(guān)，當(dāng)改變波導(dǎo)相應(yīng)參數(shù)時(shí)，光模式的模場(chǎng)大小和形狀將不同，可以實(shí)現(xiàn)模式的轉(zhuǎn)換。 本次課程設(shè)計(jì)主要是通過理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)，研究分析錐形波導(dǎo)的幾何形狀對(duì)錐形光纖的傳輸損耗和傳輸效率的影響。2光束傳播法2.

7、1BPM介紹 BPM（Beam Propagation Method)是廣泛應(yīng)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(chǔ)上建立的。BPM普及的原因有很多，最重要的是,它在概念上簡(jiǎn)單明了,允許基本技術(shù)的快速實(shí)行。在概念上簡(jiǎn)單，對(duì)于BPM建模工具的使用者和制定者非常有利，因?yàn)橥ㄟ^非專業(yè)數(shù)值計(jì)算方法更易于得到可理解的結(jié)果和合適的使用方法。除了其相對(duì)簡(jiǎn)單這個(gè)優(yōu)點(diǎn)外,BPM在計(jì)算一些復(fù)雜問題時(shí)，也是一個(gè)非常有效的方法，并且能夠得到最優(yōu)解。BPM的第三個(gè)特點(diǎn)是,這種方法能夠在無(wú)需開發(fā)特定設(shè)計(jì)版本的情況下，很容易地應(yīng)用到復(fù)雜的幾何圖形中。該方法可以對(duì)有向輻射場(chǎng)以及模式耦合和轉(zhuǎn)換產(chǎn)生

8、一定的影響。BPM技術(shù)是非常靈活的，并且是可擴(kuò)展的，包含大部分有關(guān)效果（例如極化、非線性等)，都是通過基本方法的擴(kuò)展以適應(yīng)相同的總體框架。BPM 應(yīng)用在建模光子器件的不同方面或電路中。包括各種無(wú)源波導(dǎo)器件，信道分路濾波器，電光調(diào)制器，多模波導(dǎo)設(shè)備，環(huán)狀激光器，光學(xué)延遲線電路，光學(xué)連接，偏振分離器，多模干涉裝置，絕熱耦合器，波導(dǎo)偏振器件和極化旋轉(zhuǎn)器。上面大多數(shù)引用需要實(shí)驗(yàn)演示的新穎裝置的概念可以通過BPM 設(shè)計(jì)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(shí)需要兩個(gè)基本的已知條件，即波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的折射率分布和波導(dǎo)輸入端的輸入光波的場(chǎng)分

9、布用該算法對(duì)確定的和波導(dǎo)傳輸進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)還需要已知以下輸入變量：(1)計(jì)算區(qū)域和(2)橫向柵格尺寸x和y；(3)縱向步進(jìn)z。在標(biāo)量近似的情況下，波導(dǎo)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(dǎo)的折射率。考慮到在典型的波導(dǎo)問題中，場(chǎng) 速變部分是沿波導(dǎo)軸向傳輸引起的位相變化，假設(shè)波導(dǎo)軸只要是沿Z 向，那么可以引入一個(gè)所謂的慢變場(chǎng)u，設(shè)： （2-2)其中，是參考波數(shù)，用于表示場(chǎng)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(chǎng)所滿足的方程為： （2-3

10、)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(xiàng)同第二項(xiàng)相比就可以忽略不計(jì)，這就是通常的慢變包絡(luò)近似，也稱為傍軸或拋物近似。經(jīng)計(jì)算，可得到： （2-4）這是基本的三維標(biāo)量形式的BPM 方程，若忽略與y有關(guān)的項(xiàng)就可得到二維標(biāo)量形式的 BPM 方程。給定一個(gè)輸入場(chǎng)，上述方程決定了在空間z>0內(nèi)的場(chǎng)分布。 對(duì)許多具體的問題，速變位相因子的引入，可使得在數(shù)值計(jì)算中，網(wǎng)格在縱向（即z方向）大于光波長(zhǎng)，這很大程度上提高了數(shù)值計(jì)算的效率。此外，和z有關(guān)的二次微分項(xiàng)的忽略，使二階邊值問題，轉(zhuǎn)變?yōu)橐浑A初始值問題，這一點(diǎn)也同樣提高了BPM 方法的計(jì)算

11、效率。 但慢變包絡(luò)近似使我們只能考慮波導(dǎo)中沿z 軸附近的傳播場(chǎng)，這也對(duì)參考折射率的選擇有了限制。而對(duì)于如多模干涉波導(dǎo)器件中所存在的有復(fù)雜的位相變化的場(chǎng)，利用該式就不能進(jìn)行精確地模擬。102.3Beamprop簡(jiǎn)介 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來模擬分析光學(xué)器件。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、分析能選項(xiàng)。

12、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BeamPROP 的波導(dǎo)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(xué)設(shè)備和光路,基礎(chǔ)波導(dǎo)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(dǎo)），并用鼠標(biāo)添加到光路中。3錐形波導(dǎo)設(shè)計(jì)3.1錐形波導(dǎo)結(jié)構(gòu) 錐形波導(dǎo)能夠?qū)崿F(xiàn)模式的轉(zhuǎn)換, 減小耦合損耗,但錐形波導(dǎo)自身也會(huì)帶來新的損耗: 波導(dǎo)邊界波動(dòng)產(chǎn)生的輻射損耗, 波導(dǎo)折射率波動(dòng)產(chǎn)生的輻射損耗,波導(dǎo)錐形的材料吸收損耗等從便于制作，同時(shí)也可以減小波導(dǎo)與光纖之間的耦合損耗這兩個(gè)方面考慮，應(yīng)該選擇利用寬度緩慢變化來設(shè)計(jì)

13、錐形波導(dǎo)。錐形波導(dǎo)的一般結(jié)構(gòu)如圖3-1 所示，圖中為錐形波導(dǎo)的長(zhǎng)度，和分別為輸入口和輸出波導(dǎo)寬度。顯然， ，即輸入寬度要大于輸出寬度，通常一般設(shè)定為10m 左右，一般設(shè)為3 m 左右，輸入波導(dǎo)采用錐形結(jié)構(gòu)，兩邊的邊界離中線的距離逐漸減小，從而形成了錐形結(jié)構(gòu)，折射率也保持1.5 不變，輸出波導(dǎo)也保持折射率1.643不變。輸入波導(dǎo)可以很好的跟單模光纖匹配。錐形光纖的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其實(shí)在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，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(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)中是光錐長(zhǎng)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(jiǎn)單計(jì)算可得錐形光纖幾何

14、參數(shù)之間的關(guān)系： (3-1)可見其他參數(shù)已設(shè)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(duì)的錐角 就越大，錐形變化也就越尖銳。圖3-1 錐形結(jié)構(gòu)波導(dǎo)圖3.2錐形波導(dǎo)軟件設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)運(yùn)用軟件BeamPROP，此軟件是一個(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。使用現(xiàn)金的有限差分光束傳播法來模擬分析光學(xué)器件。下面將介紹本次設(shè)計(jì)過程中的一些重要步驟： 1.點(diǎn)擊RSoft CAD-Layout 進(jìn)入操作頁(yè)面，并點(diǎn)擊“File”中的“New”按鈕，新建文件，這時(shí)會(huì)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(shè)置 2.在圖3

15、-2中點(diǎn)擊“ok”進(jìn)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(shè)中只用到了直線。在設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)本次設(shè)計(jì)要求所設(shè)計(jì)出錐形波導(dǎo)。其中錐形部分是改變直行波導(dǎo)的終點(diǎn)寬度而得到的，在畫圖所需的波導(dǎo)簡(jiǎn)易圖之后，要設(shè)置每一個(gè)波導(dǎo)管的參數(shù)，如圖3-3所示。并且在設(shè)置參數(shù)的過程中，先要定義一個(gè)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(shè)定完成之后，波導(dǎo)的設(shè)計(jì)部分就完成了，結(jié)果如圖3-5 所示。圖3-3 變量設(shè)置圖3-4 插入變量圖3-5 錐形波導(dǎo)4仿真結(jié)果分析 首先需要對(duì)所畫的圖形設(shè)置路徑，如圖4-1所示，在本次課設(shè)中只設(shè)置了一條路徑。圖4-1 傳輸路徑設(shè)置 如圖4-2，在laun

16、ch中添加已經(jīng)做好的光源，接下來在display mode選項(xiàng)里選擇slices，其他選項(xiàng)為默認(rèn)的選項(xiàng)，設(shè)置好參數(shù)。點(diǎn)擊“ok”即可得到圖11中的仿真結(jié)果。圖4-2 仿真參數(shù)設(shè)置 錐形波導(dǎo)的折射率分布則如圖4-3和圖4-4，在本次課設(shè)中，折射率設(shè)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(jié)果在仿真過程中，設(shè)置參數(shù)taperL起始值為50，終止值為100，間隔為50，設(shè)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(jié)果。圖4-6 參數(shù)掃描仿真結(jié)果 5心得體會(huì) 最初拿到這個(gè)課程設(shè)計(jì)的題目時(shí)，可以說是對(duì)這次課設(shè)所用的

17、軟件及課程設(shè)計(jì)中應(yīng)用到的原理是一無(wú)所知的，但經(jīng)過了兩周的學(xué)習(xí)，卻也是能順利的做出這次課設(shè)所要求的作品了，可以說在這次課程設(shè)計(jì)中我學(xué)到了不少知識(shí)，知道了光集成的各種應(yīng)用，隨著光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)光電集成技術(shù)和光集成技術(shù)也會(huì)有更高的要求，了解到了采用寬度錐形結(jié)構(gòu)，通過寬度的緩慢變化實(shí)現(xiàn)模場(chǎng)的轉(zhuǎn)換，錐形波導(dǎo)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(shí)際制作中可通過灰度掩膜技術(shù)實(shí)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(dǎo)邊界波動(dòng)所帶來的輻射損耗。最后，通過理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)，研究分析了錐形波導(dǎo)的幾何形狀對(duì)錐形光纖的傳輸損耗和傳輸效率的影響。雖然在課設(shè)的過程中遇到過很多問題，但是在向同學(xué)的請(qǐng)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(shè)計(jì)任務(wù)。 總的來說，這次課設(shè)讓我受益匪淺，學(xué)習(xí)到了許多平時(shí)課堂上學(xué)習(xí)不到的知識(shí)，讓我們充分利用了課余的時(shí)間去學(xué)習(xí)新的知識(shí)，這次課設(shè)不僅讓我們學(xué)習(xí)到了光波導(dǎo)的知識(shí)，還讓我們知道了自己知道的東西還是太少，我們需要更