平板波导

课程设计任务书学生姓名：xxx 专业班级：电子0903指导教师：娄平工作单位：信息工程学院题目: 对称平板波导模式的计算初始条件：计算机、beamprop软件(或Fullwave软件)要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1、课程设计工作量：2周2、技术要求：（1）学习beamprop软件(或Fullwave软件)。

（2）设计平板波导的模式计算（3）对对称堆成平板波导进行beamprop软件仿真工作。

3、查阅至少5篇参考文献。

按《武汉理工大学课程设计工作规范》要求撰写设计报告书。

全文用A4纸打印，图纸应符合绘图规范。

时间安排：2012.6.25做课设具体实施安排和课设报告格式要求说明。

2012.6.25-6.28学习beamprop软件(或Fullwave软件)，查阅相关资料，复习所设计内容的基本理论知识。

2012.6.29-7.5对平板波导进行设计仿真工作，完成课设报告的撰写。

2012.7.6提交课程设计报告，进行答辩。

指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日目录摘要 (3)Abstract (4)1 绪论 (5)2平板波导.............................................................................. 错误！未定义书签。

2.1平板波导简介................................................................. 错误！未定义书签。

3 Beamprop介绍 (8)4仿真 (9)4.1 BeamProp参数设置步骤 (9)4.2光谱仿真......................................................................... 错误！未定义书签。

4心得体会................................................................................... 错误！未定义书签。

第一章平板波导的射线理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。

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、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。

光射线，简称射线或光线，可以这样理解：一条很细很细的光束，它的轴线就是光射线。

它的方向沿着光能流的方向。

光线与光束是不同的，光线是无限细的，光束则有一定的尺寸。

光线在均匀介质中的传输轨迹是一条直线，在非均匀介质中的传输轨迹是一条曲直线。

用射线去代表光能量传输路线的方法称为射线光学。

射线光学是忽略光波长的光学，亦即射线理论是光波长趋于零的波动理论。

本章将应用射线光学的基本理论对三层平板波导加以分析，目的是对波导的导波原理和与之相关的某些物理概念为读者给出直观的物理意义和清晰的理解，并为以后运用波动光学理论分析各种结构光波导的模式特性打好基础。

1.1 模式类型我们把波导中所能传输的电磁场型称为波导的模式，在平板波导中存在两种基本模式，一种称为TE 模，另一种称为TM 模。

两种模式用光的电场和磁场的偏振方向来定义比较直观。

选择电场只沿平行于波导界面的方向偏振，此时电场垂直于光的传播方向，是横向的，因而把这种模式称为横电模，英文为Transverse Electric Mode ，取其字头称为TE 模。

平行板波导法 -回复
平行板波导法是一种用于测量介电常数和损耗的方法，可以应用于不同种类的材料，比如电介质、半导体、金属等。

该方法的原理基于平行板波导的特性，即将材料样品置于两个平行板之间，通过观察电磁波在样品中的传播情况来确定材料的介电常数和损耗。

通过使用精密的导波器以及高频信号源来产生波，然后通过平板波导器将波传输到材料样品中，再通过信号接收器来获取传播过程中的电磁场信号。

通过测量不同频率下的电磁场强度以及相位变化，可以计算出样品的介电常数和损耗。

平行板波导法具有测量准确、操作简单的优点，可以广泛应用于材料科学和工程学领域。

在三层平板波导中，TE（Transverse Electric）和TM （Transverse Magnetic）模式的转移矩阵可以通过矩阵传输法（Matrix Transfer Method）来推导。

我们假设三层波导的结构是类似于基本的三层介质结构：底层、中间层和表层。

以下是一个简化的推导概述：
TE模式的转移矩阵：
1. 底层（下标1）：
- 把波导中的TE模式写成电场的形式，然后使用Maxwell 的方程组得到在底层的波动方程。

- 解出底层的传播常数和特征阻抗。

2. 中间层（下标2）：
- 用底层的传播常数和特征阻抗，再次写出波导中的TE 模式，得到在中间层的波动方程。

- 解出中间层的传播常数和特征阻抗。

3. 表层（下标3）：
- 用中间层的传播常数和特征阻抗，写出波导中的TE模
式，得到在表层的波动方程。

- 解出表层的传播常数和特征阻抗。

4. 构建整个波导的转移矩阵：
- 将底层、中间层和表层的转移矩阵相乘，得到整个波导的TE模式的转移矩阵。

TM模式的转移矩阵：
上述步骤类似，但是要使用TM模式的电场形式，并解相应的波动方程。

解模式本征方程：
1. 对TE模式，模式本征方程通常涉及到传播常数和特征阻抗。

2. 对TM模式，也有相应的模式本征方程。

需要注意的是，这只是一个概述，实际的计算可能会更加繁琐，具体的方程形式也会取决于波导的具体结构和性质。

光波导（optical waveguide）是引导光波在其中传播的介质装置，又称介质光波导。

光波导有两大类：一类是集成光波导，包括平面（薄膜）介质光波导和条形介质光波导，它们通常都是光电集成器件（或系统）中的一部分，所以叫作集成光波导；另一类是圆柱形光波导，通常称为光纤（见光学纤维）。

传输特性光波导是引导可见光段中的电磁波的物理结构。

常见类型的光波导包括光纤和矩形波导。

光波导可用作集成光路中的组件或用作本地和长途光通信系统中的传输介质。

光波导可根据其几何形状（平面、条带或光纤波导）、模式结构（单模、多模）、折射率分布（阶梯或梯度折射率）和材料（玻璃、聚合物、半导体）进行分类光纤的传输衰减很小，频带很宽。

例如，在1.5微米波段衰减可小到0.2分贝/公里，频带宽达108/公里数量级（多模光纤）或109赫/公里数量级（单模光纤），如此优良的性能是其他传输线难以达到的，因而光纤可用于大容量信号的远距离传输。

薄膜波导和带状波导传输特性及其分析与光纤类似。

由于它们主要用来构成元件，对传输衰减与频带要求并不严格。

严格求解光波导中的电磁场的矢量解较为困难，故通常用标量近似法、射线法等近似解法分析其传输特性，包括各个模式的场分布、色散以及模式之间的耦合等。

实际应用的矩形几何光波导最容易理解为理论介质平板波导，也称为平面波导的变体。

平板波导由具有不同介电常数的三层材料组成，在平行于它们的界面的方向上无限延伸。

光可以通过全内反射限制在中间层中。

仅当中间层的介电指数大于周围层的介电指数时才会发生这种情况。

在实践中，平板波导在平行于界面的方向上不是无限的，但是如果界面的典型尺寸远大于层的深度，则平板波导模型将是非常接近的。

平板波导的引导模式不能被从顶部或底部界面入射的光激发。

光线必须从侧面注入中间层。

或者可以使用耦合元件将光耦合到波导中，例如光栅耦合器或棱镜耦合器。

引导模式中的一种模式是平面波来回反射的中间层的两个接口之间，入射角在光的传播方向和平行的或垂直的方向之间，在材料界面更大过临界角。

光子晶体与光波导光子晶体与光波导是光子学领域中两个关键概念，它们在光学器件的设计与应用中具有重要作用。

光子晶体是一种具有周期性折射率分布的材料，它通过光子之间的布拉格散射来调控光的传播。

而光波导则是一种用于在光学器件中引导光传播的结构。

一、光子晶体光子晶体是一种周期性变化折射率的材料，其结构类似于晶体学中的晶格。

它通过周期性的折射率分布，在特定的频率范围内形成禁带（光子禁带），使禁带内的光无法传播。

而禁带之外的光则可以在光子晶体中传播。

光子晶体可以根据其周期性分布的不同，分为一维、二维和三维光子晶体。

1. 一维光子晶体一维光子晶体是最简单的光子晶体结构。

它具有周期性的折射率变化，常见的例子是光纤光栅。

一维光子晶体通过周期性的折射率变化，可以在特定的频率范围内抑制光的传播，形成光子禁带。

这使得一维光子晶体在光滤波、光调制和光传感等领域中得到广泛应用。

2. 二维光子晶体二维光子晶体是由周期性排列的柱状或球形结构组成的。

它的周期性分布使得特定频率的光无法传播，形成二维光子禁带。

二维光子晶体可以通过调控结构尺寸和材料折射率来改变光子禁带的频率范围。

二维光子晶体在激光器、光波导和光传感器等领域中有着重要的应用。

3. 三维光子晶体三维光子晶体是一种具有立体结构的光子晶体，可以在三个空间方向上调控光的传播。

它通过周期性的结构分布，形成三维光子禁带，具有非常广阔的应用前景。

三维光子晶体在光学传感、激光器、全息成像等领域中发挥着重要的作用。

二、光波导光波导是一种用于引导光传播的结构。

它可以将光能量从一个地方传输到另一个地方，实现光的灵活控制和调制。

常见的光波导结构包括平板波导、光纤波导和光子晶体波导。

1. 平板波导平板波导是一种将光能限制在一个平面内传播的波导结构。

它通常由两个具有不同折射率的材料层组成，利用折射率的差异来引导光传播。

平板波导广泛应用于光通信和光集成电路等领域。

2. 光纤波导光纤波导是一种利用光纤结构传输光能的波导结构。

平板波导在THz光传导的应用1.研究背景Thz光辐射是非电离性的能够穿透储水之外的非金属材料。

尽管在处理THz光遇到了各种困难，但由于THz光的独特的性质，使得它在成像，天文，安全，医疗诊断等等中有着广泛的应用。

在THz系统中最大的挑战是缺乏高效的，能够被集成的有源或者无源器件。

传统的THz频段波导受困于高的损耗和色散。

波导的损耗主要是由金属的欧姆损耗和非金属的吸收损耗。

在THz波段，欧姆损耗非常高，是由于导体的表面电阻随着光频率的增加而增加（Rs=wμ/2σ其中w是光频率，μ，2σ分别为导体的磁导率和电导率）。

光在介质中的损耗主要来源是：Drude机制、介电弛豫和晶格振动。

光在传输过程中的色散主要来源于群速度和波导的特性是频率相关的。

根据一般性的指导原则（低色散和低损耗）寻找合适的光波导是一个吸引了大量关注的热门研究领域。

一个理想的光波导应该没有损耗没有色散易于与其它期间集成。

基于此本文提出了两种THz波段的传输波导。

2.研究现状迄今为止太赫兹波导是基于在空气中传输的大光场，如金属线，电介质包覆的金属中空纤维，平行板波导，以及电介质波导管。

金属丝可以在几乎没有色散和损耗系数是约3m−1的情况下引导宽带太赫兹脉冲。

银/聚苯乙烯包覆的中空波导表现出0.95 dB/m的损耗系数传播频率为2.5 THz的光。

平行板波导和电介质管波导都可以在具有非常低的损耗条件下引导太赫兹光，并且其损耗系数分别可以低至2.6 dB/Km和0.08 m−1。

Jiamin Liu, Huawei Liang 等提出了一种波导能够以低损耗，窄光束传输宽带太赫兹光的双介质平板。

S.AliMalekabadi，F.Boone等提出了一种基于高阻硅材料的能够低损耗低色散地传输太赫兹波段的平板波导。

3.技术原理、实现方案a)基于高阻硅材料的平板波导这种基于高阻硅材料的平板波导的结构图如图一所示，平板波导的厚度图一：基于高阻材料的平板光波导的结构图，波的传播方向沿着z方向。