基于时域有限差分法的光导特性模拟

毕 业 设 计中文题目 基于时域有限差分法的光导特性模拟英文题目 Simulation of photoconductive properties basedon finite-difference time-domain method院 系： 光电与通信工程学院年级专业： 13 级光信息科学与技术姓 名： 刘雄学 号： 1333012124指导教师： 孙栋职 称： 讲师2017 年 5 月 18 日毕业设计（论文）诚信声明书本人郑重声明：在毕业设计（论文）工作中严格遵守学校有关规定，恪守学术规范；我所提交的毕业设计（论文）是本人在 孙栋 指导教师的指导下独立研究、撰写的成果，设计（论文）中所引用他人的文字、研究成果，均已在设计（论文）中加以说明；在本人的毕业设计（论文）中未剽窃、抄袭他人的学术观点、思想和成果，未篡改实验数据。本设计（论文）和资料若有不实之处，本人愿承担一切相关责任。学生签名：2017 年 5 月 18 日基于时域有限差分法的光导特性模拟【内容摘要】：本文先是介绍了光波导的结构和制作方法，再介绍了基本原理。然后介绍了时域有限差分法的发展历史及其它在研究领域中的应用，以及它的基本原理。最后利用 meep 软件对模型进行编程和光导特性的模拟。【关键词】：时域有限差分法，FDTD，光波导特性，光波导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目录第一章 光波导概述 .11.1 光波导的类型与制备方法 .11.2 光波导基本原理 .21.2.1 线光学理论 .21.2.2 波动光学理论 .41.3 光波导损耗 .61.3.1 光波导的传输损耗 .61.3.2 光波导传输损耗产生原因 .61.3.3 光波导的弯曲损耗 .7第二章 时域有限差分法概述 .92.1 时域有限差分法的历史与发展 .92.2 时域有限差分法的应用 .92.2.1 时域有限差分法在探地雷达的应用 .102.2.2 时域有限差分法在超声波声场中的应用 .102.2.3 时域有限差分法在液晶光学中的应用 .102.2.4 时域有限差分法在点衍射中的应用 .112.2.5 时域有限差分法在色散周期结构中的应用 .112.2.6 时域有限差分法在光波导中的研究进展 .112.3 时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 时域有限差分方程 .132.3.4 FDTD 程序流程 .162.4 数值稳定性条件 .16第三章 模拟结果与分析 .173.1 光波导的损耗模拟 .173.2 集成光路中光波导的抗干扰能力模拟 .183.3 集成光路中的光信号分路传输模拟 .183.4 两条非接触光波导之间的信号传输模拟 .18总结： .19致谢 .20参考文献: .21引言光波导器件是集成光路的重要组成部分，在通信领域中有着十分重要的应用前景。它包括无源光波导器件和有源光波导器件，其中无源光波导器件有耦合器、连接器、隔离器、环形器、光波分复用器件以及光开关等；有源光波导器件主要包括波导激光器、频率转换器、光调制器、光探测器、光放大器等。因为波导腔内有很高的光密度，所以波导激光器激光泵浦阈值会更低、非线性响应速度会更快。由于光波导器件有着种种优点，因此它在集成光路中获得了广泛应用。本文结构安排为：第一章介绍光波导的几种类型及其制作方法，以及光波导的基本原理和几种损耗原因；第二章介绍时域有限差分法的历史发展，应用，基本原理和数值稳定性条件；第三章则为使用时域有限差分法进行光波导特性的模拟结果和分析；最后则为总结和致谢。1第一章 光波导概述人们对光波导的研究始于对圆柱介质的研究。迄今为止，虽然已经有一百多年历史了，但直到“集成光学”概念的提出才使得导波光学成为了一门独立的学科。光波导和集成光学也成为了研究者们的研究热点。后来，由于微波工程、光刻和薄膜生长等技术在波导制备中的引入，使得导波光学得到了更进一步的发展。1.1 光波导的类型与制备方法光波导是一种由射率较低的衬底和覆盖层包裹折射率较高的波导层而组成的结构，按折射率分布有阶跃型和渐变型两种。它的结构十分微小，能把光限制在波导层内传输，所以可以实现集成光路。按结构分可分为平面形和条形两种，其大致制作方法如下表所示 1-2：表 1-1波导结构 制备方法 示意图使衬底材料表面折射率发生变化而形成的平面光波导离子注入、快重离子辐照、离子交换、热扩散衬底表面上覆盖一层折射率略高的材料而形成的平面光波导沉淀法、外延生长法位于衬底表面的条形光波导光刻技术结合离子注入技术，离子交换技术等；飞秒激光写入结合离子注入技术2位于衬底材料表面之下的埋入型条形光波导聚焦质子束写入、飞秒激光写入位于衬底材料表面之上的脊型光波导平面波导制备结合光刻以及刻蚀或腐蚀技术等；脱模法以上这些光波导不仅结构和制备方法不同，材料的使用也不同。具体制备技术如下：(1)离子注入离子注入是将加速后的带电离子撞击材料的表层，使入射离子与材料发生作用而失去能量停留在材料内部，从而引起材料的光学性能发生变化，构成光波导。(2)离子交换离子交换是通过把衬底材料浸入某种溶液中利用置换反应在材料的表面形成一层折射率较高的波导层，构成光波导。因为它是化学方法，所以只能够用来制备少数折射率相差较大的光波导结构。(3)飞秒激光写入飞秒激光写入是通过激光对材料