基于時(shí)域有限差分法的光導(dǎo)特性模擬

畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)中文題目 基于時(shí)域有限差分法的光導(dǎo)特性模擬英文題目 Simulation of photoconductive properties basedon finite-difference time-domain method院 系： 光電與通信工程學(xué)院年級(jí)專業(yè)： 13 級(jí)光信息科學(xué)與技術(shù)姓 名： 劉雄學(xué) 號(hào)： 1333012124指導(dǎo)教師： 孫棟職 稱： 講師2017 年 5 月 18 日畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）誠(chéng)信聲明書本人鄭重聲明：在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作中嚴(yán)格遵守學(xué)校有關(guān)規(guī)定，恪守學(xué)術(shù)規(guī)范；我所提交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）是本人在 孫棟 指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下獨(dú)立研究、撰寫的成果，設(shè)計(jì)（論文）中所引用他人的文字、研究成果，均已在設(shè)計(jì)（論文）中加以說(shuō)明；在本人的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中未剽竊、抄襲他人的學(xué)術(shù)觀點(diǎn)、思想和成果，未篡改實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)（論文）和資料若有不實(shí)之處，本人愿承擔(dān)一切相關(guān)責(zé)任。學(xué)生簽名：2017 年 5 月 18 日基于時(shí)域有限差分法的光導(dǎo)特性模擬【內(nèi)容摘要】：本文先是介紹了光波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)和制作方法，再介紹了基本原理。然后介紹了時(shí)域有限差分法的發(fā)展歷史及其它在研究領(lǐng)域中的應(yīng)用，以及它的基本原理。最后利用 meep 軟件對(duì)模型進(jìn)行編程和光導(dǎo)特性的模擬?！娟P(guān)鍵詞】：時(shí)域有限差分法，F(xiàn)DTD，光波導(dǎo)特性，光波導(dǎo)Simulation of photoconductive properties based on finite-difference time-domain method【Abstract】: This paper introduces the structure and fabrication method of optical waveguide, and then introduces the basic principle. Then it introduces the development history of time - domain finite difference method and its application in other research fields, and its basic principle. Finally, I use meep software to program the model and simulate the characteristics of light guide.【Keywords】: finite difference time domain method, FDTD, Optical waveguide characteristics，optical waveguide目錄第一章 光波導(dǎo)概述 .11.1 光波導(dǎo)的類型與制備方法 .11.2 光波導(dǎo)基本原理 .21.2.1 線光學(xué)理論 .21.2.2 波動(dòng)光學(xué)理論 .41.3 光波導(dǎo)損耗 .61.3.1 光波導(dǎo)的傳輸損耗 .61.3.2 光波導(dǎo)傳輸損耗產(chǎn)生原因 .61.3.3 光波導(dǎo)的彎曲損耗 .7第二章 時(shí)域有限差分法概述 .92.1 時(shí)域有限差分法的歷史與發(fā)展 .92.2 時(shí)域有限差分法的應(yīng)用 .92.2.1 時(shí)域有限差分法在探地雷達(dá)的應(yīng)用 .102.2.2 時(shí)域有限差分法在超聲波聲場(chǎng)中的應(yīng)用 .102.2.3 時(shí)域有限差分法在液晶光學(xué)中的應(yīng)用 .102.2.4 時(shí)域有限差分法在點(diǎn)衍射中的應(yīng)用 .112.2.5 時(shí)域有限差分法在色散周期結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用 .112.2.6 時(shí)域有限差分法在光波導(dǎo)中的研究進(jìn)展 .112.3 時(shí)域有限差分法的基本方程 .122.3.1 中心差商近似 .122.3.2 Maxwell 旋度方程 .122.3.3 時(shí)域有限差分方程 .132.3.4 FDTD 程序流程 .162.4 數(shù)值穩(wěn)定性條件 .16第三章 模擬結(jié)果與分析 .173.1 光波導(dǎo)的損耗模擬 .173.2 集成光路中光波導(dǎo)的抗干擾能力模擬 .183.3 集成光路中的光信號(hào)分路傳輸模擬 .183.4 兩條非接觸光波導(dǎo)之間的信號(hào)傳輸模擬 .18總結(jié)： .19致謝 .20參考文獻(xiàn): .21引言光波導(dǎo)器件是集成光路的重要組成部分，在通信領(lǐng)域中有著十分重要的應(yīng)用前景。它包括無(wú)源光波導(dǎo)器件和有源光波導(dǎo)器件，其中無(wú)源光波導(dǎo)器件有耦合器、連接器、隔離器、環(huán)形器、光波分復(fù)用器件以及光開(kāi)關(guān)等；有源光波導(dǎo)器件主要包括波導(dǎo)激光器、頻率轉(zhuǎn)換器、光調(diào)制器、光探測(cè)器、光放大器等。因?yàn)椴▽?dǎo)腔內(nèi)有很高的光密度，所以波導(dǎo)激光器激光泵浦閾值會(huì)更低、非線性響應(yīng)速度會(huì)更快。由于光波導(dǎo)器件有著種種優(yōu)點(diǎn)，因此它在集成光路中獲得了廣泛應(yīng)用。本文結(jié)構(gòu)安排為：第一章介紹光波導(dǎo)的幾種類型及其制作方法，以及光波導(dǎo)的基本原理和幾種損耗原因；第二章介紹時(shí)域有限差分法的歷史發(fā)展，應(yīng)用，基本原理和數(shù)值穩(wěn)定性條件；第三章則為使用時(shí)域有限差分法進(jìn)行光波導(dǎo)特性的模擬結(jié)果和分析；最后則為總結(jié)和致謝。1第一章 光波導(dǎo)概述人們對(duì)光波導(dǎo)的研究始于對(duì)圓柱介質(zhì)的研究。迄今為止，雖然已經(jīng)有一百多年歷史了，但直到“集成光學(xué)”概念的提出才使得導(dǎo)波光學(xué)成為了一門獨(dú)立的學(xué)科。光波導(dǎo)和集成光學(xué)也成為了研究者們的研究熱點(diǎn)。后來(lái)，由于微波工程、光刻和薄膜生長(zhǎng)等技術(shù)在波導(dǎo)制備中的引入，使得導(dǎo)波光學(xué)得到了更進(jìn)一步的發(fā)展。1.1 光波導(dǎo)的類型與制備方法光波導(dǎo)是一種由射率較低的襯底和覆蓋層包裹折射率較高的波導(dǎo)層而組成的結(jié)構(gòu)，按折射率分布有階躍型和漸變型兩種。它的結(jié)構(gòu)十分微小，能把光限制在波導(dǎo)層內(nèi)傳輸，所以可以實(shí)現(xiàn)集成光路。按結(jié)構(gòu)分可分為平面形和條形兩種，其大致制作方法如下表所示 1-2：表 1-1波導(dǎo)結(jié)構(gòu) 制備方法 示意圖使襯底材料表面折射率發(fā)生變化而形成的平面光波導(dǎo)離子注入、快重離子輻照、離子交換、熱擴(kuò)散襯底表面上覆蓋一層折射率略高的材料而形成的平面光波導(dǎo)沉淀法、外延生長(zhǎng)法位于襯底表面的條形光波導(dǎo)光刻技術(shù)結(jié)合離子注入技術(shù)，離子交換技術(shù)等；飛秒激光寫入結(jié)合離子注入技術(shù)2位于襯底材料表面之下的埋入型條形光波導(dǎo)聚焦質(zhì)子束寫入、飛秒激光寫入位于襯底材料表面之上的脊型光波導(dǎo)平面波導(dǎo)制備結(jié)合光刻以及刻蝕或腐蝕技術(shù)等；脫模法以上這些光波導(dǎo)不僅結(jié)構(gòu)和制備方法不同，材料的使用也不同。具體制備技術(shù)如下：(1)離子注入離子注入是將加速后的帶電離子撞擊材料的表層，使入射離子與材料發(fā)生作用而失去能量停留在材料內(nèi)部，從而引起材料的光學(xué)性能發(fā)生變化，構(gòu)成光波導(dǎo)。(2)離子交換離子交換是通過(guò)把襯底材料浸入某種溶液中利用置換反應(yīng)在材料的表面形成一層折射率較高的波導(dǎo)層，構(gòu)成光波導(dǎo)。因?yàn)樗腔瘜W(xué)方法，所以只能夠用來(lái)制備少數(shù)折射率相差較大的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。(3)飛秒激光寫入飛秒激光寫入是通過(guò)激光對(duì)材料