一种新型非基于慢变包络近似的三维有限元束传播法

提出了一种新型非基于慢变包络近似的三维有限元束传播法.该方法相较Hadley所提出的广角束传播法,在分析光信号与光波导之间相互作用时同时考虑了载波和调制波对传输特性的影响,更具一般性且精度更高.通过与已发表的权威文献相比,在相同的计算资源下,精度提高了10%.

宽角束传播法用于计算透射光栅特性

基于Pade近拟，并在透明边界条件下利用宽角束传授法对透射光栅的性质进行了详细的分析。介绍了所使用的数值模拟方法的理论模型，并对高斯光束通过光栅后的光场分布和光栅的衍射效率进行了数值求解。

一种快速高效二维时域有限元束传播法

提出并建立了一种新型的快速分析平面光波光路器件传输特性的2D时域有限元束传播法(FE-TD-BPM)模型.与常规时域差分格式的有限元束传播法相比,在时域实现了一维有限元(FEM)离散化处理,基于完全匹配层(PML)边界条件给出了全有限元离散化模型.为了验证算法的精度以及速度,模拟分析了直脊波导以及波导光栅,并且与已有文献的计算结果进行比较,结果表明,该算法无条件稳定、计算速度快,与常规时域差分格式的有限元束传播法相差在0.002%以内,并节省了约70%的机时.

改进的三维全矢量有限差分虚位移束传播法

提出了一种改进的三维全矢量有限差分虚位移束传播法,用以分析光波导承载的全矢量本征模．在纵向(z向)离散上,第一个子步采用半矢量公式,而第二个子步采用全矢量公式,但交叉项双倍计算．每个横向电场分量在两个子步中的次序交换,交叉项用隐式形式表示,计算效率高且稳定．在横向(x和y向)离散上,基于多项式插值法,建立了一种统一的差分格式,考虑了电场法向分量在芯包分界处的不连续性,可应用于均匀和非均匀网格,差分系数引入了更多邻近节点的折射率分布,且交叉项采用六点差分格式,计算精度高,程序通用性强．首先分析了高折射率分布差的矩形、GaAs/GaAlAs双异质结脊形光波导,给出了全矢量基模及次高阶模(矩形波导)的电场分布及其归一化传播常数,揭示了全矢量本征模的混合特性,验证了该方法的有效性．接着分析了InP基InGaAsP/ InGaAsP应变多量子阱脊形光波导,考虑了深刻蚀和浅刻蚀两种情形,讨论了其全矢量基模的模式特性,为设计以此为基础的光子集成回路奠定基础．

硅光波导的束传播法设计及制备

报道用束传播法（ＰｒｏｐａｇａｔｉｎｇＢｅａｍＭｅｔｈｏｄ）模拟设计、指导硅大断面单模脊形光波导的制备工艺。应用傅里叶交换法计算了硅光波导中导模的传播常数。对实际研制成功的ＳＩＭＯＸ及Ｓｉ／ＧｅｘＳｉ１－ｘ／Ｓｉ单模脊形光波导，比较了其性能差异并给予理论解释。

基于变量变换Galerkin法的三维束传播法

提出了一种基于变量变换Galerkin法的三维束传播法,用以模拟分析三维介质光波导的光波传输特性。将三维笛卡尔坐标的横向分量x-y作正切函数变换,无限x-y平面则映射成单位平面,无限域问题由此转换成有限域问题,消除了边界截断,提高了计算精度、选择正弦函数作为展开基,适用于任意包层边界的光波导。Galerkin法将三维BPM基本方程归结为一组一阶常微分方程组,可用成熟的Runge-Kutta方法求解,计算程序简单。另外,该方法导出矩阵小,有较高的计算效率。考虑了传播方向上均匀及非均匀的三维计算实例以验证该方法的准确性及计算精度。

GeSi合金1×4Y级联分束器的有限差分束传播法模拟设计

进一步研究二个问题：（１）理论模拟的方法由快速傅里叶束传播法（ＦＦＴ－ＢＰＭ）改为有限差分束传播法（ＦＤ－ＢＰＭ），并比较了两者的优缺点。（２）模拟设计了对象提高为由ＧｅＳｉ合金单模脊形光波导组成的Ｙ级联１×４光分束器。结果表明，有限差分束传播法比快速傅里叶束传播法及显形有限差分束传播法（ＥＦＤ－ＢＰＭ），除了数学比较容易外，计算速度也快一些。尤其是对传播步长Δｚ的敏感性，有限差分束传播法远没有快速傅里叶束传播法那样严重，便利了束传播法方法的采用。正如束传播法成功地应用于ＧｅＳｉ合金光波导及Ｙ分支器的理论设计，现在用了１×４Ｙ级联分束器同样得到预想的结果。光束在分束器中传播逐步分成二束再分为四束。符合设计要求。

阵列波导光栅中自由传播区模式的有效折射率

针对阵列波导光栅设计中自由传播区模式有效折射率的确定问题,提出了一种采用加权等效模式折射率作为自由传播区模式有效折射率的方法。通过引入慢变包络近似条件并采用吸收边界条件的一阶Galerkin有限元法,给出了阵列波导光栅自由传播区仅含有磁场分量的全矢量波动方程组。在此基础上,基于三维全矢量束传播法对自由传播区光场进行了模式分析,并结合导模传输分析法,推导给出了加权等效模式折射率的表达式,为阵列波导光栅设计中自由传播区模式折射率的确定提供了一个理论依据。

BPMF-SRM混合法分析SOI脊形波导与光纤耦合

摘用束传播 自由空间辐射模 (BPM F-SRM)混合法计算了SOI脊形波导和光纤耦合时的透射率,提出计算反射率的积分公式 将该混合法和一般FSRM、菲涅尔公式 重叠积分法的计算结果相比较,提出只有在弱导条件下,传统的菲涅尔公式法和重叠积分法才可以同时使用.

新型1×N多模干涉分束器的三维设计与模拟

相比于传统的1×N对称型多模干涉(Mult-Mode Interference ,MMI)分束器设计,提出了一种新型埋入式弱限制光波导分束器件.它的干涉区及输入输出波导采用倒锥形式,器件尺寸减小,且不均匀性与附加损耗也减小.以1×4的对称型MMI分束器为例,当只对干涉区采用倒锥形结构后,在TE偏振中心波长为1 .55μm时,器件长度减小了500μm,均匀性增加了0.131 dB,而附加损耗仅增加了0 .02 dB,波长响应较传统设计增加了40 nm.在此基础上,又在输入输出臂上也各增加倒锥形结构后,相比于传统设计附加损耗减小了0 .02 dB,均匀性增加了0 .139 dB,器件长度减小了500μm.改进后的器件具有优越的容差性.器件采用掺氟型聚合物材料进行优化设计,通过在合理范围内偏离输出波导位置,使输出光强达到最大值.

多模光纤光栅中新型的光波传输分析法

提出一种新型的分析多模光纤光栅的准三维时域有限差分束传播法(Q-3D-FDTD-BPM).在圆柱坐标系下将场在角向分量的解析式分离出来,使三维方程变为若干个二维方程求解,从而简化了三维离散化方程.同时使用综合道格拉斯(GD)法和交替隐向迭代法(ADIM),获得比中心差分算子高两个数量级的空间离散精度.然后根据场强加权转换方案,加权综合各子方程解,从而得到多模光纤中三维场解.基于这种方法,模拟多模光纤光栅中场分布,得到与实验结果多模式特性基本一致的光栅传输光谱图.

一种新型多模干涉分束器的设计模拟

相比于传统的1×N对称型多模干涉(MMI)分束器,提出了一种新型埋入式弱限制光波导分束器件,它的干涉区及输入输出波导采用倒锥形式。以1×4的对称型MMI分束器为例,在输入输出臂上各增加了倒锥形结构后,较传统设计附加损耗减小了0．02 dB,均匀性增加了0．139 dB,器件长度减小了500μm。同时,改进后的器件具有优越的偏振相关性及客差性。器件采用掺氟型聚合物材料进行优化设计,通过在合理范围内偏离输出波导位置,使输出光强达到最大值。

(1+1)维光折变亮屏蔽孤子相互作用的数值分析

利用束传播法对(1+1)维光折变亮屏蔽孤子间的相互作用进行了详细地数值模拟研究.结果表明两同相孤子相互吸引,并伴有孤子融合现象,且孤子融合发生时的作用距离随着孤子初始间距的增大而增大;两反相孤子相互排斥,且排斥作用随着孤子初始间距的减小而增强;当两孤子的相位差位于区间(0,π)和(-π,0)中时,其相互作用过程将伴有能量转移,但两区间内能量转移的方向相反,并表现出反转对称性;由于孤子间的距离和相对相位对孤子间的相互作用均有很大的影响,因此多个孤子间的相互作用过程非常复杂,但可以通过分析相邻孤子间的相互作用对其进行定性的预测.

聚合物电光调制器中M-Z波导TM模分析

M-Z光波导是聚合物电光调制器的重要结构单元。利用有效折射率法计算聚合物脊形波导的横向折射率分布,将三维光波场传播简化为二维传播。从导模满足的标量波动方程出发,结合透明边界条件,采用C rank-N icho lson差分格式,得出有限差分束传播法的基本计算格式。通过对M-Z型波导结构中TM模的传播及损耗特性进行理论分析,系统地研究了脊宽、分支角等结构参数对损耗的影响。研究表明,有效折射率法与二维有限差分束传播法的结合可以较好地解决脊形M-Z波导的设计问题。该方法具有精度高、计算量小及效率高等优点,为聚合物电光调制器的制备提供了理论依据。

聚合物Mach-Zehnder脊形波导的优化设计

利用变分有效折射率法计算了TE基模和高阶模的光场分布,计算结果表明,该方法计算量小,精度高,为聚合物集成光电子器件中脊形光波导的理论分析与优化设计提供了简单高效的途径。利用有限差分束传播法对Mach-Zehnder波导的传播及损耗特性进行了理论分析,得到了不同Y分支角、波导宽度、波导间距时波导传输功率与距离的关系,优化得到的结构参数为:Y分支角1.1°,脊宽5μm,波导间距20μm。

有机聚合物S形脊波导的弯曲损耗研究

利用广角有限差分束传播法和有效折射率法研究了S形脊波导圆弧曲率半径与弯曲损耗的关系,得出了如下结论:当圆弧曲率半径大于5000μm后,即使波导曲率半径增大,波导的弯曲辐射损耗已不会再明显减小,光已可以在S形脊波导中稳定地传播了。

聚合物Y分支波导的TM模分析

本文利用有效折射率法计算聚合物脊形波导的横向折射率分布,将三维光波场传播问题简化为二维问题;从导模满足的标量波动方程出发,结合透明边界条件,采用Crank-Nicholson差分格式,得出有限差分束传播法的基本方程。对Y分支波导结构中TM模的传播及损耗特性进行理论分析,得出了优化的结构参数:Y分支角α=1.1°,脊宽W=5μm,波导间距G=20μm。

三维脊型光波导模斑转换器的设计和优化

在三维有限差分束传播法对脊形光波导的结构参数分析和优化的基础上,对单模光纤和脊形光波导连接耦合用模斑转换器进行了深入的研究,重点分析了影响模斑转换器性能的各种因素,如侧面边界、长度、大端宽度和厚度,以及连接光纤和模斑转换器的过渡波导的有关参数.仿真结果表明,三维锥形光波导模斑转换器大端宽度和厚度在11 5～13 5μm和4 5～6 5μm之间,且长度为200～500μm时插入损耗可低达2dB,比二维锥形光波导模斑转换器的插入损耗约减小2dB,其对横向偏移的容差也远远高于二维锥形光波导模斑转换器,合理的使用非线性边界的模斑转换器可以获得比线性边界的模斑转换器更小的插入损耗;过渡波导的宽度、芯层厚度应和三维锥形光波导模斑转换器的大端宽度和厚度一致,且其长度为150μm左右时损耗较小;另外,此类模斑转换器在减小耦合损耗的同时,还可以有效的进行光波模式的转换.

多功能2×2 GaAs/GaAlAs多模干涉型光开关分析

提出了一种基于深刻蚀脊形光波导带模斑转换器的多功能 2× 2GaAs/GaAlAs多模干涉型光开关 ,并用变量变换级数展开法及三维有限差分束传播法对其进行了模拟分析与优化设计 .结果表明 ,通过控制多模波导中央的两段Schottky电极 ,器件可实现交叉态、直通态及 3dB耦合器功能 ,并有较大的制作容差、较宽的工作带宽 ,只须一个多模波导 ,器件结构紧凑 .采用深刻蚀脊形光波导能够满足多模干涉型器件的精确自镜像要求 ,并使输入 /输出光波导在单模工作下有较大的横截面 ,较低的弯曲损耗及较小的耦合串扰 .通道末端引入的模斑转换器可方便地与单模光纤连接耦合 .

一个集成光波导器件计算机辅助分析系统及其应用

本文介绍一个集成光波导器件计算机辅助分析与设计系统──ＩＯＣＡＤ，该软件采用标量单向束传播方法及快速傅立叶交换技术，具有波导结构输入简单、菜单提示全面、使用方便、功能强、速度快等特点，只要分析参数适当，ＩＯＣＡＤ具有足够精度．ＩＯＣＡＤ可对满足ＢＰＭ适用条件的多种折射率分布的任何结构的波导器件进行模拟分析．本文同时给出几个模拟实例．