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光学波导的测试及分析一、实验目的：（1）了解光学波导的基本结构和功能；（2）了解光学波导的制作过程及工艺；（3）掌握光学波导性能的测试方法。
二、实验设备：激光器1台三维调节架2个显微物镜2个光波导载物台1个波导分析仪1台三、实验原理：1、光学波导原理光学波导是集成光学所用的媒质材料，要具有一定的折射率，一般是比衬底折射率高。
这样光在其中传播就可以形成全反射，光的传播如图1所示。
光束限制在波导介质中的条件为:sinθ=n2/n1θ称为临界角。
图1平板波导的的导波原理图2、玻璃结构与离子交换机理玻璃的折射率取决于玻璃单位体积内的离子极化率，所以可以用改变玻璃成分的方法改变它的折射率。
通常玻璃的结构可理解为一些不规则的连续网状结构。
组成玻璃的物质分为三种，网络构成物，网络中间物，网络修饰物。
网络构成物一般为Si02, Ge02, B203, P2O5和AS20等。
网络构成物的含量越高，玻璃的转变温度越高。
网络中间物不能单独形成玻璃，但可以加强玻璃网络之间的联系,影响玻璃的热学、化学、力学、色散、折射率等物理化学性能。
如Al2O3、CaO 、MgO 等。
最后一种网络修饰物与网络残余键的结合相对疏松，可以降低玻璃的转变温度。
常见的有Li2O 、Na2O 、K20、Ag2O 等。
以硅酸盐玻璃为例，其基本骨架是二氧化硅(Si02)，硅原子和氧原子按硅氧四面体的方式相互结合。
在硅氧四面体中，硅的电价已经饱和了，而氧能够同时与两个硅连接在一起。
因此硅酸盐玻璃就是以硅氧四面体为基本结构单元，相互间以顶角上的氧原子连接在一起的空间配位网，故硅氧四面体又称为网格生成体。
若玻璃中还含有另一些氧化物，它们的氧离子将参加配位网结构，金属离子则无确定位置，占据着网格间的空位。
这些氧化物称为网格修饰剂。
例如，氧化钠的作用是使两个Si0四面体之间形成环的一个桥联氧离子被两个非桥联的氧离子所代替，造成玻璃结构网的局部中断，同时，钠离子占据在非桥联氧离子的网格间隙中。
１光波导薄膜厚度和折射率的测量有效折射率是表征光波导的重要参数，知道了有效折射率，才能计算波导的传播常数，进而根据光波导的色散方程计算波导介质的厚度、介电系数等其它参数。
因此,通过测量光波导的有效折射率计算波导波膜厚度和折射率对波导器件的设计具有十分重要的意义。
【实验目的】1． 了解光波导结构，学习介质平板波导理论； 2． 掌握测量光波导有效折射率的方法； 3． 熟悉棱镜耦合激发导模的实验方法。
【实验原理】1．棱镜耦合棱镜耦合法是在波导中激发导模的一种重要方法。
棱镜耦合的原理如图1所示。
棱镜耦合条件为：βθ=p p n k sin 0Fig.1 棱镜耦合原理图当耦合条件满足时，大部分能量进入波导，在波导中激发出某一导模，棱镜的反射光强骤减。
由于实际波导不可能是理想的，总是存在光散射，于是这个导模的部分能量被耦合成其它的导模，这些导模将以不同的方向耦合出棱镜。
每一个模式多有它自己的、满足同步条件的输出角，因此，在反射屏上能观察到一组亮线，即m-line 。
测量这些模式的同步角，并利用波导的模式本征方程，可计算波导薄膜的折射率和厚度。
2．介质平板波导理论如图2所示的三层平板波导的TM 模色散方程可写为：棱镜p n 银膜3n 导波层1n衬底（空气）2n hp θ２⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=−−κκπκq n n p n n m h 2321122211tan tan 式中：()2122120βκ−=n k()2122202n k p −=β ()2123202n k q −=β其中β为传播常数。
0k 为真空中的波矢，λπ20=k ，λ为实验中所用激光的波长。
1n 、2n 分别为波导薄膜、衬底（空气）的的折射率，3n 为覆盖层（银膜）的复折射率，5.11723i n +−=。
h 为薄膜厚度。
导模有效折射率eff n 定义为：0k n eff β=因而测得了导模有效折射率eff n ，便知道了传播常数β。
目录摘要 (I)Abstract (II)1 设计目的及任务要求 (1)1.1 设计目的 (1)1.2 任务要求 (1)1.3 软件简介 (1)2原理分析 (2)2.1 均匀介质薄膜波导 (2)2.2 平面光波导 (3)2.3 平板波导的波动理论 (5)3 对称平面波导的BeamPROP仿真设置 (7)4 平面波导仿真图 (12)4.1 波导结构观察 (12)4.2 波导传输仿真 (12)4.3 不同模式仿真图 (13)5 总结 (17)参考文献 (18)摘要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。
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。
正如大家所熟悉的单层电路板，所有电路都位于基板的一个平面内一样。
本文从理论上推导了对称平板波导的模式计算,利用BeamPROP软件仿真，探究了对称平板波导的模式分类及各自特点，得到了其仿真特性和一些仿真图，验证了相关理论，并且加深了对对称平板波导的模式的理解。
关键词：波导模式计算仿真AbstractPropagating light beams can be guided, so that the energy of the beam in the horizontal direction is restricted, and to minimize losses and noise, such devices commonly referred to as an optical waveguide, the waveguide shortWhen the beam propagating in a medium, the medium due to absorption and scattering caused by the loss, due to the divergence caused by diffraction, these conditions could result in the central portion of the intensity of the beam attenuation constant. Therefore, it is necessary to design a device which can guide the propagating light beams, so that the energy of the beam in the horizontal direction is restricted, and to minimize losses and noise, such devices commonly referred to as an optical waveguide, the waveguide short . The simplest structure of the waveguide is formed by three homogeneous medium, the dielectric layer is called an intermediate layer or a dielectric layer of the waveguide core layer on both sides of the core is called the cladding. Dielectric constant than the dielectric constant of the core layer is clad on both sides of the core is slightly higher, so that the beam can be concentrated in the core layer transmission, and thus acts as guided waves. This distribution is steep waveguide dielectric constant change, also called step change, often referred to as a slab waveguide such a waveguide. The simplest type optical waveguide plate is deposited on the substrate by a layer of a uniform thin film, which is also known as a thin film waveguide.As you are familiar with the single circuit board, all circuits are located within the same plane of the substrate. Theoretically derived from the symmetric slab waveguide mode is calculated using BeamPROP software simulation, explores the symmetrical slab waveguide pattern classification and their characteristics, got some of its characteristics and simulation diagram simulation to verify the theory, and deepened the symmetry understanding slab waveguide modes.Keywords: computer simulation waveguide mode1 设计目的及任务要求1.1 设计目的培养较为扎实的光电子的理论知识及较强的实践能力；加深对光电器件的选型及光路形式的选择的了解；强化使用实验仪器进行电路的调试检测能力。
几何光学、波动光学（一）作业本章要点：(1)光学现象：反射、折射、全反射(2) 几何光学成像：球面成像（反射成像、折射成像）、透镜成像 (3) 光的干涉：杨氏双缝干涉、薄膜干涉、牛顿环、劈尖干涉。
Dx dλ∆=(4) 光程及光程差：计算光程差时注意半波损现象。
光程就是光经过的空间距离乘以介质的折射率（nr ）。
一、选择题1.如图所示，折射率为n 2、厚度为e 的透明介质薄膜的上方和下方的透明介质的折射率分别为n 1和n 3，已知n 1< n 2> n 3．若用波长为的单色平行光垂直入射到该薄膜上，则从薄膜上、下两表面反射的光束(用①与②示意)的光程差是 (A) 2n 2 e ． (B) 2n 2 e － / 2. (C) 2n 2 e － ． (D) 2n 2 e － / (2n 2)． ［ B ］【KP 】光线1多余的光程是：2n 2 e ；光线2多余的光程是半波损。
2. 如图所示，平行单色光垂直照射到薄膜上，经上下两表面反射的两束光发生干涉，若薄膜的厚度为e ，并且n 1＜n 2＞n 3，1为入射光在折射率为n 1的媒质中的波长，则两束反射光在相遇点的相位差为(A) 2n 2e / ( n 1 1)． (B)[4n 1e / ( n 2 1)] + ．(C) [4n 2e / ( n 1 1) ]+． (D) 4n 2e / ( n 1 1)． ［ C ］【KP 】与第一题类似。
差别在于介质中光波波长n 和真空中光波波长之间的关系： n n .光程与相位差之间的关系:Δφ=2π•δ/。
3. 单色平行光垂直照射在薄膜上，经上下两表面反射的两束光发生干涉，如图所示，若薄膜的厚度为e ，且n 1＜n 2＞n 3，1为入射光在n 1中的波长，则两束反射光的光程差为n 2n 1n 3e ①② n 1n 2n 3 e λ1 n 1n 2n 3入射光反射光1反射光2e(A) 2n 2e ． (B) 2n 2 e 1 / (2n 1)．(C) 2n 2 e n 11 / 2． (D) 2n 2 e n 21 / 2． ［ C ］【KP 】与第一题类似。
分类号学号M201072843 学校代码10487 密级硕士学位论文新型聚合物光波导的研究独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。
对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
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保密□，在年解密后适用本授权书。
本论文属于不保密□。
（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日华中科技大学硕士学位论文摘要伴随着当今社会的进步和发展，通信必然会朝着超大容量、超长距离的方向发展。
传统的电互连存在着很多限制其发展的因素，而光互连与之相比，则有着损耗低、容量大、带宽高、无串扰、抗电磁干扰等优点，因此，电互连将会逐渐的被光互连所取代。
光波导是光互连中的重要器件，制作光波导的材料有铌酸锂晶体、半导体和聚合物等等，聚合物材料因其加工工艺简单，价格低廉，易集成，驱动电压小等特点，引起了广泛关注。
近年来，聚合物光波导的研究已成为学术界的一个热点。
本论文首先用几何光学方法和波动光学方法分析了光在平板波导中的传播特性，并介绍了分析矩形波导的马卡梯里方法。
然后利用OptiBPM软件对矩形波导、梯形波导、渐变型波导进行了仿真模拟，着重对渐变型波导进行仿真，验证了渐变型波导的传输损耗比阶跃型波导的传输损耗低很多，并分析了芯层与包层的折射率差、梯形波导的倾斜角、参数g对光在波导中传播特性的影响。
第一讲几何光学§1.1 几何光学基础1、光的直线传播：光在同一均匀介质中沿直线传播。
2、光的独立传播：几束光在交错时互不妨碍，仍按原来各自的方向传播。
3、光的反射定律：①反射光线在入射光线和法线所决定平面内；②反射光线和入射光线分居法线两侧；③反射角等于入射角。
4、光的折射定律：①折射光线在入射光线和法线所决定平面内；②折射光线和入射光线分居法线两侧；③入射角与折射角满足；④当光由光密介质向光疏介质中传播，且入射角大于临界角C时，将发生全面反射现象<折射率为的光密介质对折射率为的光疏介质的临界角）。
§1.2 光的反射1.2.1、组合平面镜成像：1.组合平面镜由两个以上的平面镜组成的光学系统叫做组合平面镜，射向组合平面镜的光线往往要在平面镜之间发生多次反射，因而会出现生成复像的现象。
先看一种SS2图1-2-1较简单的现象，两面互相垂直的平面镜<交于O点）镜间放一点光源S<图1-2-1），S发出的光线经过两个平面镜反射后形成了、、三个虚像。
用几何的方法不难证明：这三个虚像都位于以O为圆心、OS为半径的圆上，而且S 和、S 和、和、和之间都以平面镜<或它们的延长线）保持着对称关系。
用这个方法我们可以容易地确定较复杂的情况中复像的个数和位置。
两面平面镜AO和BO成60º角放置<图1-2-2），用上述规律，很容易确定像的位置：①以O为圆心、OS为半径作圆；②过S做AO和BO的垂线与圆交于和；③过和作BO和AO 的垂线与圆交于和；④过和作AO和BO 的垂线与圆交于，便是S在两平面镜中的5个像。
双镜面反射。
如图1-2-3，两镜面间夹角=15º,OA=10cm，A 点发出的垂直于的光线射向后在两镜间反复反射，直到光线平行于某一镜面射出，则从A点开始到最后一次反射点，光线所走的路程是多少？如图1-2-4所示，光线经第一次反射的反射线为BC，根据平面反射的对称性,，且∠。
