第六章光波导理论及器件.ppt

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等效折射率法标量方程的解法*横截面结构等效平板波导第30页,共55页,星期日,2025年,2月5日设计软件FDTD:时域有限差分方法(FiniteDifferenceTimeDomain)。把Maxwell方程式在时间和空间领域上进行差分化。利用蛙跳式(Leapfrogalgorithm)--空间领域内的电场和磁场进行交替计算,通过时间领域上更新来模仿电磁场的变化,达到数值计算的目的。用该方法分析问题的时候要考虑研究对象的几何参数,材料参数,计算精度,计算复杂度,计算稳定性等多方面的问题。其优点是能够直接模拟场的分布,精度比较高,是目前使用比较多的数值模拟的方法之一。*第31页,共55页,星期日,2025年,2月5日设计软件光束传播法:光束传播法(BeamPropagationMethod,BPM)的基本思想是在给定初始场的前提下,一步一步地计算出各个传播截面上的场。最早的BPM是以快速傅里叶变换(Fast-FourierTransform,称FFT)为数学手段实现的,称为FFT-BPM。FFT-BPM源于标量波方程,只能得到标量场(即只能处理一个偏振分量),不能分辨出场的不同偏振以及场之间的耦合。同时它所采用的网格是均匀网格,在处理楔形、弯曲波导时不是很适合。由于上述缺点,D.Yevick等人于1989年提出有限差分光束传播法,它将波导截面分成很多方格,在每一个格内的场用差分方程来表示,然后加入边界条件,就可得到整个横截面的场分布。沿纵向重复前面的步骤,就可得到整个波导的场分布。这种方法已被成功地应用于分析Y型波导及S型弯曲波导中的光波传输,且对损耗的计算也得到了准确的结果*第32页,共55页,星期日,2025年,2月5日光子晶体波导光子晶体:周期性结构的介质材料*第33页,共55页,星期日,2025年,2月5日1D:布拉格反射器2D:硅柱晶体3D:胶质晶体第34页,共55页,星期日,2025年,2月5日二维光子晶体波导*90度转折二维光子晶体波导线性二维光子晶体波导第35页,共55页,星期日,2025年,2月5日光子晶体波导Joannopoulosetal.第36页,共55页,星期日,2025年,2月5日光子晶体光纤*第37页,共55页,星期日,2025年,2月5日*阵列波导光栅:(1)输出波导,(2)平板波导,(3)通道波导,(4)平板波导,(5)输出波导光纤中光的传输光子晶体中光的传输第38页,共55页,星期日,2025年,2月5日6.3光波导器件波导制造过程典型光波导器件*第39页,共55页,星期日,2025年,2月5日第1页,共55页,星期日,2025年,2月5日光波导的概念光纤、平面薄膜、窄条对光辐射实施限制和传输的技术研究方法:射线理论、电磁场理论研究内容:光波导中光的传播行为、传导模式、传输特性*第2页,共55页,星期日,2025年,2月5日平板波导射线光学:直观、近似光线在介质界面发生反射和折射发生全反射光被限制在第1介质内,全反射可用于限制光的传输*电磁理论:复杂、完善第3页,共55页,星期日,2025年,2月5日平板波导*覆盖层涂层基质覆盖层:通常为空气,涂层:介质薄膜,mm量级,也称薄膜波导基质:玻璃对称平板波导非对称平板波导空气第4页,共55页,星期日,2025年,2月5日平板波导结构中可能存在的几种波的模式*辐射波(辐射模)基质辐射波(基质模)传导波(传导模)第5页,共55页,星期日,2025年,2月5日平板介质波导中的导波x:横向约束y:均匀z:传播引入沿z方向的传播常数则*导波有效折射率Nz方向最大传播常数

第6页,共55页,星期日,2025年,2月5日TE与TM*TE模(纵向电场分量为0)TM模(纵向磁场分量为0)第7页,共55页,星期日,2025年,2月5日古斯-汉森位移和波导层的有效厚度--波导中的光能流问题有效波导层厚度*全反射:反射率为1,没有能流进入基质。实际上,存在倏逝波,沿x方向迅速衰减,z方向存在位移。第8页,共55页,星期日,2025年,2月5日平板波导的电磁理论基础对光学现象的完善描述需借助电磁理论分析不存在自由电荷和传导电流时直角坐标系中若麦克斯韦方程组具有随时间周期变化的解,可表示为*复共轭第9页,共55页,星期日,2025年,2月5日介质

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