弯曲波导结构设计

实验三：弯曲波导结构设计

一、实验目的：

1、掌握弯曲波导的结构、工作原理

2、了解弯曲波导的分析方法及其仿真技术 二、实验原理：

在以玻璃为代表的透明介质衬底的表面上，附着上折射率比衬底略高、厚度可以与光波长相比较的薄膜，光就会被封闭于这种高折射率的薄膜层内构成波导。在二维光波导的情况下，只有沿厚度方向对光是封闭的，因此波导中的光可以沿表面自由传播。这么一来光就有可能因为衍射而被全部散失掉。但是，实际上利用光波导组成光调制器和光开关的时候，光沿表面方向也必须是封闭的，光波的分路、弯曲、耦合等也必须都能够控制，这就是三维光波导。

作为变换光路用的三维光波导器件，弯曲波导占据重要地位。其中，弯曲半径R 越小，传输距离越短，越容易产生光路变换。但是弯曲波导的损耗随着弯曲半径R 的减小而增加。图1表示弯曲部分的导模场分布。在弯曲波导中，为了使光波在传输过程中，其波面不被破坏，弯曲部分外侧波导光的相速度必须大于内侧波导光的相速度。因此，在弯曲外侧所看到的光波中，在c r r ≥部分的相速度会超过光速。这就意味着在c r r ≥部分的光波在半径方向上存在着辐射损耗。当设计弯曲波导时，正确评估这部分辐射损耗至关重要。假定在弯曲部分伴随着辐射而造成的波导光衰减常数为a ，在1<

)32exp()

2()()2exp(22

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22

2

2

R W k n N

W k a s s s s y s β

γγβγγ-

∙+-≈

图1 弯曲波导的导模场分布

再者，由图1可知，弯曲部分导模场分布偏向拐弯的外侧，该现象被称之为边缘模，这种场分布现象与波导的直线部分的场分布是不同的。由此而产生了弯曲部分入口处的场分布不匹配，入射光的部分功率辐射进衬底，这种损耗叫做模变换损耗，它与辐射损耗一起构成了决定弯曲波导损耗的主要原因。

三、实验内容：

利用OptiBPM6.0设计一个弯曲波导并观察并分析相关结果。

四、实验方法：

1、创建材料库：

材料库参数：

Materials－Dielectric1：

Name: cladding

2D Isotropic Refractive ：1.442

3D Isotropic Refractive ：1.442

Name: guide

2D Isotropic Refractive ：1.45

3D Isotropic Refractive ：1.45

Profiles－Channel：

Name: channel

2D Profile definition material: guide

晶体参数：

Profile：channel

Wafer Dimensions参数：Length: 800

Width:50

2D Wafer Properties参数：Material：cladding

2．添加波导和输入平面：（1）波导参数如下表：

波导名称

Start offset End offset

Width

Waveguide

radius Horizontal V ertical Horizontal V ertical

Arc

waveguide

0 -10 800 -8 4 4000

（2）添加输入平面

（3）输入面的参数中将Z position的值设置为2.0000。

3、仿真并观察仿真结果。

4、设计原程序

SIMULA TION PARAMETERS

Simulation Type: 2D

Starting Field:

Type: Modal

Z Position: 2.000000

Label: InputPlane1

Wavelength (祄): 1.550000

Global Reference Index:

Type: Modal

V alue: (1.44635996937882, 0.00000000000000)

User Interface Configuration:

Number of Displays: 100

Simulation Technique: Simulate As Is

2D PARAMETERS

Polarization: TE

Mesh:

Number of points/祄: 9.9800

Number of points: 500

BPM Solver: Paraxial

Engine: Finite Difference

Scheme Parameter: 0.5000

Propagation Step: 1.5500

Wafer Width (祄): 50.0000

Boundary Condition: PML

Layers: 6

Theoretical Reflection Coefficient:1.0000e-006

Non-Linear BPM:

Using Non-Linear Simulation: FALSE