用基于磁场的改进型有限差分法分析光波导的全矢量本征模

提出一种改进的有限差分法,用以求解全矢量磁场波方程,分析光波导承载的全矢量本征模.离散交叉项时,采用与波导结构无关的六点差分格式,考虑磁场分量的导数在芯包分界处的不连续性,比传统四点差分格式有更高的计算精度.分析阶跃型光纤、矩形和脊形光波导的全矢量本征模问题,给出全矢量基模的磁场分布及其归一化传播常数,揭示全矢量本征模的混合特性,所得结果与解析法、高精度模横向谐振法的结果吻合,验证了方法的收敛性与计算精度.     

同轴波导内金属支撑杆的散射特性研究

 对同轴波导内传输TEM模时金属支撑杆的散射特性进行了研究。通过将同轴波导等效为窄边是磁壁的矩形波导，建立了金属支撑杆的散射场计算模型，用积分方程法得到了散射场的计算公式，其计算结果与有限元方法仿真结果吻合良好。分析计算和实验表明：当同轴波导传输TEM模时，n根角向均匀分布的支撑杆在同轴波导内激励起一系列TE(mn)1模式；当n大于同轴波导截面平均周长与波长之比时，金属杆所激励的高阶模截止，输出和反射模式仅为TEM模，其反射系数随支撑杆根数或支撑杆半径的增加而增大，随频率的升高而减小。     

InGaAs/InAlAs多量子阱脊形波导及定向耦合器光波特性准矢量分析

提出了一种基于级数展开的三维准矢量束传播法(SE-QV-BPM)用以分析由InGaAs/InAlAs多量子阱构成的脊形光波导及定向耦合器.结果表明，刻蚀深度相同时，TM模比TE模在水平方向限制强，且TM模的模场在波导角上出现畸变；波导间距相同时，定向耦合器TM波的耦合长度大于TE波的耦合长度，对偏振态敏感.分析获得了浅/深刻脊形光波导承载的准矢量TE/TM基模、定向耦合器承载的TE/TM偶/奇模的模场分布及其有效折射率，模拟了光场在定向耦合器中的传输演变情况.另外，SE-QV-BPM导出矩阵小，计算效率高 关键词： 级数展开 准矢量束传播法 多量子阱 InGaAs/InAlAs     

基于波导模式变换的圆波导TE62模式激励器的研究

基于不规则波导模式匹配法以及缓变波导中电磁波模式耦合理论,研究了一种W波段圆波导TE₆₂模式激励器. 该波导模式激励器采用矩形波导TE₁₀模式通过侧壁耦合馈入同轴波导,利用同轴波导的选模特性激励TE₆₁模式;随后利用轴向半径周期微扰的圆波导实现TE₆₁–TE₆₂模式变换. 文中推导了矩形-同轴波导模式匹配理论,系统研究了波导结构缓变参数对模式变换效率的影响,完成了模式变换器的优化仿真设计,数值计算结果表明：中心频率处TE₆₂模式的转换效率为94.5%,纯度为98.16%,效率85%以上带宽达到1 GHz,能够满足回旋管冷测的要求. 关键词： 同轴波导 模式变换 耦合模理论 半径微扰     

94 GHz回旋管准光模式变换器设计

基于几何光学理论和矢量绕射理论,研究了将回旋管及其他高功率微波器件的振荡输出模式转换成准光高斯波束的模式变换器,采用伏拉索夫(Vlasov)辐射器和三级准光反射面实现了准高斯模TEM₀₀的横向输出.研究了Vlasov辐射器的工作机理,运用矢量绕射理论计算出波导辐射场,口面电流分布的方法计算反射面辐射场.通过编写程序设计了将94 GHz,模式为TE₆₂的毫米波转化为准光高斯波束的内置式准光模式变换器. 关键词： 94 GHz回旋管 内置式准光模式变换器 Vlasov辐射器 矢量绕射理论     

同轴线-矩形波导结散射特性的数值分析

 提出了一种数值分析同轴线-矩形波导结散射特性的模式匹配方法。采用同轴线和矩形波导的本征模函数表示电磁场分量，通过同轴线-矩形波导结截面横向场分量匹配获得波导结的散射参数，引入电场模式匹配矩阵的解析形式提高了计算效率。给出了基于模式匹配法数值仿真的各种同轴线-矩形波导结散射特性及仿真结果分析，并与3维全电磁波分析软件HFSS的仿真结果进行了比较，二者非常吻合。模式匹配法计算效率高，能广泛应用于微波毫米波元器件及系统结构的设计与优化。     

梯形截面硅基水平多槽纳米线定向耦合器全矢量分析

定向耦合器是构成各类光子器件的基础元件. 本文采用一种基于电场分量的全矢量有限元法, 分析由梯形截面硅基水平多槽纳米线构成的定向耦合器. 给出了准TE与准TM偶、奇模有效折射率、耦合长度及模场分布, 揭示了其模式的混合特性及模场分布特点. 分析结果表明, 准TE模与准TM模的耦合长度随波导间距的增大均呈指数增长, 其中准TE模的耦合长度对波导侧壁倾角的变化敏感, 而准TM模的耦合长度对槽厚及槽折射率的变化敏感. 恰当选择结构与材料参数, 可实现两偏振态下相同耦合长度, 定向耦合器在偏振无关条件下工作.     

金属包层对称平面单轴晶体波导的模式场(Ⅱ)

对于晶体光轴平行于波导界面的结构,讨论了光在金属包层对称平面单轴晶体波导(波导层是单轴晶体,两个波导界面均为金属)内的传输特性.解析地得到了这种结构下波导模式场的精确解.模式场的性质因单轴晶体的性质不同而异.对于正单轴晶体,波导的主模是横电波,任何频率的光波均可激励该模式;当频率满足一定条件时,波导内传输单模,否则,将激励起高阶模式.高阶模既非TE波,也非TM波,而是两者耦合而成的混合模.对于负单轴晶体,波导的主模是一种混合模,该模式同样可被任何频率的光波所激励;当频率满足一定条件时,波导内传输单模,否则 关键词： 平面金属波导 单轴晶体 模式场 混合模     

聚合物脊形光波导TM模色散特性的偏振修正

有机聚合物脊形光波导的色散特性对聚合物光子学器件性能具有重要影响.本文利用标量变分理论计算脊形光波导的有效折射率,其用到的近似光场分布运用变分有效折射率法获得.考虑折射率分布的横向变化,基于导模满足的矢量波动方程,利用微扰法对标量变分理论所得有效折射率进行偏振修正,求得精度更高的色散特性.对聚合物多模脊形光波导基模和高阶模的色散特性进行分析,研究了波导结构参数对色散特性的影响,分析了单模波导TM、TE基模的偏振色散特性.研究结果表明,运用本征方程分析TM模的色散特性误差大,必须加以修正;而对于TE模,其误差相对较小.     

聚合物阵列波导光栅波分复用器中波导的弯曲损耗

本文对聚合物阵列波导光栅(AWG)波分复用器中波导的弯曲损耗进行了理论分析。为了使AWG器件中单模传输时波导的弯曲损耗尽量地减小，结合计算实例对波导的弯曲半径、弯曲角度和弯曲弧长等几何参量的选择进行了适当的讨论。     

弯曲波导研究进展及其应用

本文主要分析了弯曲波导损耗机理,包括传输损耗、辐射损耗、模式转换损耗。重点综述了设计低损耗弯曲波导的方法,包括波导材料、弯曲波导的曲线形状、波导种类、脊型波导的宽度、脊高、弯曲半径、模场分布、弯曲波导曲线形状和其他新型波导结构等。简要概括了近年来设计和制备低损耗弯曲波导的代表性工作。介绍了弯曲波导在集成光学中的应用。通过对弯曲波导的损耗及耦合机制理论的不断完善,实现光在较小弯曲半径的低损耗传输,从而提高集成光学的集成度是弯曲波导今后的发展趋势。     

Optical design of bent rib waveguide with MOS cross-section

We provided a single-mode bent MOS-cross-section rib waveguide design with 0.9 dB/cm bending loss at 25 μm bending radius. The peak position for the TE-like mode was tuned to the gate oxide around which the maximum amount of free carriers are accumulated to optimize the free carrier dispersion effect.     

硅基二氧化硅光波导器件偏振特性的理论分析

从理论上分析了硅基二氧化硅光波导器件的芯区尺寸、相对折射率差、内应力和弯曲径对器件偏振特性的影响,得出结论：小折射率差的正方形波导的双折射系数小;内应力对双折射的影响比几何参数大;弯曲半径较小时,双折射系数较大,弯曲损耗也较大。     

波导弯曲半径与弯曲损耗的关系

介绍了分析波导弯曲损耗的保形变换法和归一化方法以及由此得到的波导弯曲半径与弯曲损耗的关系式.建立了弯曲损耗经验公式,由该公式得出了四种常用材料的波导弯曲半径与弯曲损耗的曲线,并将已报道的相应材料制作的AWG中的最小弯曲半径及其对应的损耗实验数据与这些曲线上的相应数值进行了比较,结果表明,弯曲损耗经验公式在确定AWG中的最小弯曲半径时,有一定的参考价值.     

用于光互连的聚硅氧烷波导弯曲损耗

研究了用于光互连的聚硅氧烷多模光波导直接弯曲时弯曲损耗与圆弧曲率半径的关系。用Marcuse的直波导近似法理论计算了其弯曲损耗,理论计算表明弯曲损耗随模阶数的增加而变大,随半径的减少而变大;光在波导中传输时,总弯曲损耗出现阶跃式变化,并且曲率半径大于4 mm时,波导的弯曲损耗小于1dB/cm。用BeamPROP仿真软件仿真了5、10、20mm三种曲率半径下的传输光场情况。利用数字化散射法测量了其弯曲损耗,实验结果显示曲率半径在5～6mm时弯曲损耗值在0.55～0.8dB/cm之间,考虑所制备的聚硅氧烷直波导固有的传输损耗,实验值与理论值基本相符。     

Ultralow-bending-loss surface-plasmon-polariton waveguides

We report the transmission, reflection and loss properties of 90-degree and 135-degree bent silicon waveguide and 90-degree and 135-degree bent surface-plasmon polariton (SPP) waveguides composed of metal thin film and silicon. Finite difference time domain simulation analysis shows that the maximum bending transmittances of 90-degree bent and 135-degree bent silicon waveguides are 51% and smaller than 10%, respectively, and the maximum bending transmittances of 90-degree bent and 135-degree bent SPP waveguides are 80% or so, and they are higher 30% and 70% than that of identically-bent silicon waveguides, respectively. Moreover, the SPP waveguide bend with metal thin film as inner layer of the bend and silicon as outer layer of the bend has much higher transmission than ones with silicon as the inner layer and metal thin film as the outer layer. The waveguide bend with metal as the inner layer and dielectric as the outer layer will be potential for integrated photonic devices and subsystem.     

Characteristic Analysis of Bending Coupling Between Two Optical Waveguides

By means of the coupled mode theory and transfer matrix technique, a method is presented for analyzing the bending coupling between straight and bent rectangular waveguides, or between two bent rectangular waveguides. Calculations show that an effective coupling region exists around the central coupling point, in which the bending coupling appears, beyond which the bending coupling is very weak, and the propagation power in each waveguide becomes constant. When the bending radius becomes larger or the central coupling gap becomes smaller, this effective coupling region becomes wider, in which the coupling behavior becomes stronger.     

Bending Efficiency of Bent Multiple-Slot Waveguides

The bending efficiency of three-dimensional bent multiple-slot waveguides is studied by applying a combined method of effective-index and modified transfer-matrix methods. The effects of asymmetric structure, asymmetric slots, and asymmetric middle strips on the bending efficiency are investigated. We show that the bending efficiency can be improved by the use of asymmetric structures and asymmetric middle strips. The bending efficiency of different slot waveguides （up to quintuple-slot structure） is compared. It is revealed that although the single-slot waveguide in general provides the lowest bending loss for the same waveguide parameters, it is possible that the multiple-slot waveguide can present a lower bending loss than the single-slot one.     

Low-loss germanium strip waveguides on silicon for the mid-infrared

Mid-infrared photonics in silicon needs low-loss integrated waveguides. While monocrystalline germanium waveguides on silicon have been proposed, experimental realization has not been reported. Here we demonstrate a germanium strip waveguide on a silicon substrate. It is designed for single mode transmission of light in transverse magnetic (TM) polarization generated from quantum cascade lasers at a wavelength of 5.8 μm. The propagation losses were measured with the Fabry-Perot resonance method. The lowest achieved propagation loss is 2.5 dB/cm, while the bending loss is measured to be 0.12 dB for a 90° bend with a radius of 115 μm.     

高功率毫米波圆波导TM01—TE11模式变换分析

 在数值研究高功率毫米波TM₀₁—TE₁₁光滑弯曲圆波导模式变换的基础上，对弯曲波导的几何结构进行了优化分析。在模式耦合理论的基础上，优化出了比较好的几何结构，并发现了圆波导半径、弯曲圆波导曲率和频率以及频带宽度之间的变化规律。以此数据设计的模式变换器的转换效率可达99%，带宽超过29.8%。