弯曲波导结构设计
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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(223 2 0222 2R 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 Vertical Horizontal Vertical Arc waveguide 0 -10 800 -8 4 4000