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1、目录摘要2Abstract3绪论41 平板波导错误！未定义书签。1.1平板波导简介错误！未定义书签。1.2平板波导基本结构与模式错误！未定义书签。1.3对称平板波导错误！未定义书签。1.4光纤光栅谱错误！未定义书签。1.5对称平板波导的应用错误！未定义书签。2 Beamprop 介绍73光谱仿真83.1 BeamProp参数设置步骤83.2检查指数资料103.3分析建立113.4仿真113.5在波长上的扫描124心得体会错误！未定义书签。参考文献错误！未定义书签。摘要光纤是一种很常见的介质光波导，其截面为圆形，但在集成光学中，人们更感兴趣的是在芯 片上集成平面光波导。分析平板波导有两种基本理论
2、：1.几何光学理论，2.电磁场理论。 平板波导由三层介质组成，中间层介质折射率最大，称为导波层。上下两层折射率较低，分 别称为覆盖层和衬底层。当衬底层和覆盖层材料折射率相等时，称其为对称平板波导。 覆盖层折射率n2导波层折射率nl衬底层折射率nO导波层厚度为H光线在上下界面上均发生全反射，假设y方向均匀，则光线的波矢在x z方向上有相应的分 量（平板波导可不考虑y方向）。本文介绍的是通过Beamprop软件进行平板波导光谱仿真，Beamprop是一款 实用性非常强的光学应用软件，本文包含了 Beamprop软件的介绍、平板波导的 原理以及进行光谱分析及仿真。关键词：对称平板波导；Beampro
3、p；光谱仿真AbstractOptical fiber is one of the most common medium optical waveguide, the cross section is round, but in integrated optics, people are more interested in the chip integrated planar waveguide. Analysis planar wave-guide there are two basic theory: 1. The geometric optical theory, 2. Electro
4、magnetic field theory.Planar wave-guide by three media composition, refractive index layer medium is the largest, called wave guide layer. The upper and lower levels refractive index is low, respectively called coating and substrate layer. When substrate layer and cover material refractive index equ
5、al, called the symmetric plate waveguide.Refractive index layer of n2 guided wave layer refractive index n1 substrate layer refractive index n0 guided wave layer thickness for HThe light in the interface of the up and down all happened total reflection, suppose y direction even, light is the wave in
6、 x z direction arrow on the corresponding component (planar wave-guide dont consider y direction). This paper introduce is through the Beamprop software planar wave-guide spectrum simulation, Beamprop is a practical very strong optical applications software, this article contains Beamprop software i
7、s introduced, the principle of planar wave-guide and spectral analysis and simulation.Keywords: symmetrical planar wave-guide; Beamprop; Spectrum simulation绪论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
8、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 种波导为平板波导。最简单的平板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平板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
9、 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。1.平板波导1.1平板波导简介光纤是一种很常见的介质光波导，其截面为圆形，但在集成光学中，人们更感兴趣的是在芯片上集成平面光波导图 1.1 平板波导结构示意图 （由覆盖层，导波层，衬底组成）平板波导由三层介质组成，中间层介质折射率最大，称为导波层。上下两层折射率较低，分别称为覆盖层和衬底层。当衬底层和覆盖层材料折射率相等时，称其为对称平板波导。几何光学理论当满足全反射条件时，光线会在导波层上下介质界面处发生全反射，并沿Z轴 传输。覆盖层折射率n2导波层折射率n1衬底层折射率no导波层厚度为H光线在上下界面 上均发生全反射，假设y方向均
10、匀，则光线的波矢在xz方向上有相应的分量（平板波导可不 考虑y方向）。波矢量之间的关系当只考虑X方向上光线传播时，可见光线总是在上下两表面反射现假设一光线入射到下界面，发生全反射，然后又与上表面发生全反射，再次回到下表面发 生全反射。此时，此光线会与原先从下表面出发的光波叠加在一起，发生干涉。并且两束相 干光波的位相差为： Ap = 2Kh - 2Q - 2Q12 10如果相干相长，即满足谐振条件，则此入射角对应的光线（模式）可以被导波所接受2Kh - 2Q - 2Q 二 2m兀12 10对于特征方程中的是上下界面处全反射所引起的相移，那么具体可根据菲涅尔公式求出。n cos 9 n cos
11、9r 二 r 二 ii22s te n cos 9 + n cos 9ii22n cos 9 n cos 9r 二 r 二 2 i i 2p TM n cos 9 + n cos 9TE模表示电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内TM模表示电矢量的偏振方向在入射面内，磁矢量的偏振方向垂直于入射面te =/ m2 sin2 9 一 n2arc tan( +2)n2 n2 sin2 9iii( 、n2盂J2Tm = arC tanIn2 sin2 9 n21I n2 n2 sin2 9iii -以上相移公式是在n1n2介质界面上推倒得到，如果是在n0 n1介质界面，只需将n2换成
12、nO。2 Beamprop 介绍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(finite-difference 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
13、 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。3 光谱仿真3.1 BeamProp 参数设置步骤打开 BeamProp 软件所在文件夹，打开 CAD Layout 程序，开始这次的光谱 仿真。首先在菜单中选择New Circuit,然后修改其中的Free Space Wavelength”、 “Background Index”、Index Difference”和“Waveguide Width”参数，参数设 置如图3.1 所示。叵Global Settings WindowGLOBAL SETTINGS2D 3DC FullWAVE/FDTDC BandS
14、OLVEWaveguide Model Dimension:Radial Calculation:Effective Index Calculation: Polarization:Simulation Tool:BeamPROP/BPMGratingMODC DiffractMODBPM Options:Vector Mode: (* NoneSemiFullBidirectional Calculation:雨FDTD Options:D ispersio rVM cinlin earity:图 3.1Free Space Wavelength:3D Structure Type:Back
15、ground Index:Cover Index:Index Difference:Slab Index:Waveguide Width:Profile Type:Cancel变量然后点击“ Edit SymbolsSlab Height:，如表3.|i| background_index+(|oEdit Layers.Edit Tensors.1所示：意义Period0.5光栅结构的周期LinPeriod X 4输入波导的长度LoutLin输出波导的长度M40光栅结构中的总周期数delta grating0.05光栅结构中的最大指数干扰表 3.1 变量定义表然后进行光栅的绘制，通过鼠标的点击与拖动画出三层光栅，其中第二层的 首端与第一层的末端连接，第三层的首端与第二层的末端连接，然后每层分别都 要进行设置，通过右键点击光栅层就可以修改参数，第一层的参数设置如图3.2 所示：Properties for Segment #
