锥形波导的设计简析.doc

课程设计任务书 学生姓名： 彭雪峰 专业班级： 电子1103 指导教师： 旷海兰 工作单位： 信息工程学院 题 目：锥形波导模式转换器的设计 初始条件： 具有光电子技术的基本理论知识及较强的实践能力；对光纤技术有一定的了解；计算机；beamprop软件。 要求完成的主要任务： 1.学习beamprop软件； 2.锥形波导模式转换器的相关理论分析； 3.用beamprop软件对锥形波导模式转换器进行仿真； 4.查阅篇参考文献，按《武汉理工大学课程设计工作规范》要求完成课程设计报告，正文10-15页，用A4纸打印。 时间安排： 1．2014年月日 2．2014年月日至20年月日完成 4. 2014年月日课程设计报告答辩。 目录 摘要 I 1绪论 1 2光束传播法 3 2.1BPM介绍 3 2.2BPM基本原理 3 2.3Beamprop简介 5 3锥形波导设计 6 3.1锥形波导结构 6 3.2锥形波导软件设计 7 4仿真结果分析 10 5心得体会 13 参考文献 14 摘要 集成光学是将半导体激光器，光调制器，接收器等光子和光电子元件为核心进行集成，以实现一定功能。集成光学集中并发展了光学和微电子学的固有技术优势，将由分离器件构成的庞大的传统光电系统变革为集成光学系统，自从1970 年成功研制了低损耗光纤之后，低损耗一直就作为人们研究的主题。从光纤到波导以及从波导到光纤的耦合损耗都会因模式不匹配而变大为了减小光纤与波导之间的耦合损耗, 需要对波导中的模场分布进行转换, 使其与光纤中的模场分布相匹配。通常可以采用锥形波导来实现这种模式转换,而在实际生产过程中，锥形波导也因为拥有设计简单，生产成本低等优点备受关注。 因此在本文中，我们将重点分析锥形波导的设计与优化。主要是通过理论分析和仿真实验，研究分析锥形波导的几何形状等因素对锥形光纤的传输损耗和传输效率的影响。 关键词：集成光学 低损耗 锥形波导 模式转换 1绪论 波导是用来定向引导电磁波的结构。常见的波导结构主要有平行双导线、同轴线、平行平板波导、矩形波导、圆波导、微带线、平板介质光波导和光纤。从引导电磁波的角度看，它们都可分为内部区域和外部区域，电磁波被限制在内部区域传播。 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。在集成光波导器件的应用中, 波导与外界光纤之间的耦合尤其值得关注, 从光纤到波导以及从波导到光纤的耦合损耗都会因模式不匹配而变大。当波导中的模场尺寸比单模光纤中的模场小3倍时, 两者之间的耦合损耗将高达4. 5~ 14 dB。为了减小光纤与波导之间的耦合损耗, 需要对波导中的模场分布进行转换, 使其与光纤中的模场分布相匹配。通常可以采用锥形波导来实现这种模式转换, 锥形波导的物理尺寸或折射率缓慢变化, 实现模式的绝热转换尺寸锥形结构是通过波导的宽度或厚度的缓慢变化来实现的另外,还可以采用折射率锥形结构来实现模式转换, 采用折射率锥形时, 波导的物理尺寸可以保持不变, 通过折射率的缓慢变化实现宽度和厚度方向的模场转换。 光波导是将能实现多个功能的模块集成到一个体积非常小的芯片上，但单模光纤的模场尺寸要比集成块输入输出波导大很多，若直接接入，则接口处会产生较大的损耗。并且模场不匹配是光电半导体芯片中光纤和波导存在耦合的最本质的原因，所以，为了实现低损耗连接，降低模场不匹配引起的耦合损耗是非常重要的，其中一个办法是，在光纤和有向波导之间插入模场转换波导，而模场的大小跟波导参数有关，当改变波导相应参数时，光模式的模场大小和形状将不同，可以实现模式的转换。 本次课程设计主要是通过理论分析和仿真实验，研究分析锥形波导的几何形状对锥形光纤的传输损耗和传输效率的影响。 2光束传播法 2.1BPM介绍 BPM（Beam Propagation Method)是广泛应用于集成模式和光电光纤器件的传播法，并且很多商业化软件建模是在此基础上建立的。BPM普及的原因有很多，最重要的是,它在概念上简单明了,允许基本技术的快速实行。在概念上简单，对于BPM建模工具的使用者和制定者非常有利，因为通过非专业数值计算方法更易于得到可理解的结果和合适的使用方法。除了其相对简单这个优点外,BPM在计算一些复杂问题时，也是一个非常有效的方法，并且能够得到最优解。BPM的第三个特点是,这种方法能够在无需开发特定设计版本的情况下，很容易地