三维光波导器件设计中的多重网格法FD-BPM

将一种高效的数值计算方法-多重网格法引入到三维有限差分波束传播法(FD-BPM)中.计算了均匀介质内定向高斯波在不同角度时的传播问题，并与解析法的结果进行了比较.最后计算了矩形波导的传播模式，并与交替方向迭代法BPM计算的结果进行了比较.证实了此方法的可靠性，而且这种方法大大提高了广角三维FD-BPM的计算速度，在三维光波导器件的模拟设计中很有发展潜力.     

二阶声场波动方程的非分裂完全匹配层算法

在声场仿真中,完全匹配层(Perfectly Matched Layer,PML)是一种十分有效的吸收边界并得到广泛应用。为了解决基于二阶声场波动方程数值仿真中的吸收边界问题,提出了一种非分裂PML算法。首先,基于伸缩坐标变换,推导了PML算法的频域表达式。然后,通过构造辅助微分方程,得到了非分裂PML的时域表达式。最后,进行了相关理论分析和数值仿真,结果表明:相对于已有的声场分裂PML算法,该算法在保持相同的吸收效率的同时,能较大地节约存储空间,提高计算效率,且更易于实现。      

基于非分裂FDTD的左手介质电磁特性的研究

为验证左手介质的电磁特性,采用非分裂时域有限差分方法对左手介质的Drude模型进行建模.这种方法不需要对电场和磁场进行分裂,也不需要对PML空间进行特殊处理,吸收边界PML和工作空间可以通过参数转换来完成,并且构造的PML层为有耗介质,进入PML层的透射波将迅速衰减.它是一种准确而有效的分析色散和各向异性介质的方法,通过此方法有效地验证了左手介质的负折射效应、汇聚效应、相位补偿效应,充分验证了左手介质及其反常特性的存在性和此方法分析左手介质的有效性. 关键词： 左手介质 非分裂 时域有限差分 Drude     

CPML在空中核爆电磁脉冲三维数值模拟中的应用

在分析不同类型完全匹配层(PML,perfectl ymatched layer)特点的基础上,选用了卷积形式PML(CPML,convolutional perfectly matched layer)截断空中核爆电磁脉冲(NEMP,nuclear electromagnetic pulse)数值模拟的开放边界.从自由空间中电磁波的平面波解和分裂形式的PML出发,构造了未分裂形式的PML,应用付里叶变换的卷积定理,推导出三维旋转椭球-双曲正交坐标系下CPML介质中电磁场的迭代形式的离散方程.获得了很好的截断效果,展示了CPML在NEMP数值模拟中的应用前景.     

一种新时域交替隐式差分算法在散射问题中的应用

提出一种新时域交替隐式有限差分(ADI-FDTD)算法格式. 传统ADI-FDTD算法的 场量步进方程涉及周围若干网格的较多场量，导致两个区域的步进方程处理较困难：一个是 邻近完全匹配层(PML)和散射场交界区，另一个是邻近连接边界区. 特别是后者，考虑入射 波影响需对场量所在区域判断，根据不同情况对原有方程进行修正，一维和二维散射问题 相对简单，可三维问题修正式有数十种之多而几乎无法完成. 本方法基于分裂场形式的ADI- FDTD技术，使得散射场区和PML吸收层区的表达形式完全一致，从而忽略两者差别.另 关键词： 时域交替隐式有限差分算法 电磁散射     

卷积完全匹配层截断3维金属矩形波导的应用研究

 讨论了高功率微波源模拟中波导开放边界截断的需求，分析了不同类型完全匹配层(PML)的特点，选用卷积形式PML截断色散波导器件的开放边界。从自由空间电磁波的平面波解和分裂形式的PML出发，构造了未分裂形式的PML，用傅里叶变换的卷积定理，导出了直角坐标系下卷积完全匹配层(CPML)介质中电磁场的迭代形式的离散方程。在不同频率和模式激励源作用下，模拟计算了CPML截断矩形波导开放边界的性能，数值结果表明最大相对误差都小于-70 dB，远好于Mur吸收边界的截断效果。     

截断磁等离子体三维M-NPML吸收边界条件

研究三维截断磁化等离子体介质新型完全匹配层(NPML)吸收边界条件(ABC),提出应用于截断色散介质修正的M-NPML,该方法根据NPML坐标变换原理,对麦克斯韦方程中对空间偏导的变量进行坐标拉伸,得到在NPML吸收边界中修正的麦克斯韦方程组.该吸收边界只把对空间偏导的变量进行坐标拉伸,操作简单,避免了PML方法在截断普通介质时采用复杂的场分裂形式,同时比单轴各向异性完全匹配层(UPML)吸收边界截断磁化等离子体介质更加简单,编程复杂度大大降低.算例仿真结果与解析解相符,证实了该算法的有效性.     

基于周期图最大似然算法的相干激光测风多普勒频率估计

采用径向风速的估计不确定度和探测概率作为评价指标,研究了周期图最大似然(PML)算法的多普勒频率估计性能.基于大气分层激光回波模型,分别以PML和周期图最大值法(PM)对回波信号进行处理,验证了PML算法在相干激光测风中的可行性;分析比较不同信噪比条件下PML算法的风速估计不确定度与探测概率.仿真结果表明,在发射脉冲宽度为400ns、采样点数为128时,PML算法适合在中等信噪比条件下使用,且风速估计的不确定度整体小于PM算法的,在信噪比为-13dB时径向风速的估计不确定度为0.75m/s,探测概率在90%以上,该研究为后续的外场试验提供了指导.     

基于PML边界的有限差分法及其在光波导泄漏损耗计算中的应用

利用结合完美匹配层(PML)边界的有限差分法计算了光波导的泄漏损耗.通过采用非均匀格点差分格式和反正切坐标变换的方法,有效地减小了计算量并提高了计算精度.分析了PI(polyimide)掩埋型波导和SOI(silicon-on-insulator)脊型波导两种典型结构的泄漏损耗,给出了波导结构尺寸对泄漏损耗的影响,并对有效减小泄漏损耗的方法进行了讨论.     

脉冲平面波斜入射旋转对称体电磁散射的FDTD算法

提出一种应用时域有限差分算法求解脉冲平面波斜入射时旋转对称体散射问题的方法.对斜入射脉冲平面波在圆柱坐标系下进行分解、应用总场/散射场连接边界、PML吸收边界条件.通过与矩量法分析结果的比较,验证了该方法的有效性.     

基于道格拉斯格式的宽角有限差分光束传播法分析大角度交叉波导

交叉波导是集成光学中的一种重要的器件单元，针对大角度交叉波导的结构及折射率分布，运用基于广义道格拉斯算子的宽角多步有限差分光束传播法模拟大角度交叉波导的传输特性，数值计算出波导中的光场的分布。与Crank-Nicholson格式的有限差分光束传播法相比，该算法在几乎不增加计算时间和计算机内存资源的情况下，结合了广义道格拉斯格式的有限差分光束传播法截断误差小[只有o(△x)^4]和宽角多步法所具有较高精度的优点，是光波导器件理想的数值模拟工具。在此基础上计算分析了大角度交叉波导的输出分支波导的能量与交叉角度的关系，以及交叉角度对波导间能量耦合的影响。这为实际的设计制作光器件的工作提供了极好的基础。     

Analysis and design of simple low-loss wide-angle waveguide bends

In this paper a simple low-loss planar waveguide wide-angle bend is proposed and analyzed. The waveguide bend of this work consists of a curved tapered angle such that its tapering can be adjusted for a minimum loss (maximum transmission coefficient) and small dimension of bend. The analysis is done using wide-angle BPM (beam propagation method) type Pade (4,4). The simulated results of different bends show that at the same transmission coefficient the area required for the proposed bends are smaller than those of the abrupt bends.     

一种多模干涉耦合器的性能模拟

为减小多模干涉（Multimode Interference ,MMI）耦合器件的尺寸,提出一种多模波导宽度为指数型变化的Taper结构.理论分析了多模波导长度与该Taper结构的参量之间的关系.与已被用于减小MMI器件尺寸的抛物线型Taper结构相比,该结构可进一步减小器件的尺寸.就几种波导结构参量下的MMI耦合器,利用宽角光束传播法进行了数值模拟.结果表明,指数型MMI耦合器的性能与抛物线型MMI耦合器的性能类似.指数型Taper结构可以用于MMI器件以减小该类器件的尺寸.     

Calculation of the spectral response of an arrayed-waveguide gating demultiplexer with a wide-angle beam propagation method in a cylindrical coordinate system

The spectral response of an arrayed-waveguide grating (AWG) demultiplexer is calculated by simulating the field propagation in the output section of an AWG with a wide-angle beam propagation method (BPM) in a cylindrical coordinate system. As in a practical design of an AWG demultiplexer, each output waveguide consists of two straight sections connected by a bending section. The spectral response obtained by the present algorithm is more accurate than those obtained with two popular approximate methods, namely, the conventional overlapped integral method and the standard BPM for radially straight and infinitely long output waveguides. With the present algorithm, the dependence of the spectral response on the parameters of the output section is analyzed. The channel crosstalk and the 3 dB passband width of the spectral response depend mainly on the length of the first straight section, the end separation and the angular separation of the output waveguides. The bending section results in an asymmetrical spectral response with remarkable sidelobes which can be reduced by increasing the bending radius.     

Mach-Zehnder结构波导调制器的模拟分析

 将三维级数展开法与光束传播法相结合，把标量光束传播法方程转化为一阶常微分方程组;在模拟中引入正切函数变换将无限平面映射为有限平面，避免了边界截断问题,与传统的BPM法相比，该方法具有计算方法简单和计算效率高的优点。运用该法分析了Mach-Zehnder结构的铌酸锂电光波导调制器，模拟了光场在器件中的分布情况，获得了这种调制器模场损耗曲线和最佳结构参数。     

A novel Fourier based 3D full-vectorial beam propagation method

In this paper a Fourier based full-vectorial beam propagation method (BPM) with perfectly matched layer (PML) absorbing boundary conditions is presented. The method starts with the slowly varying envelope coupled wave equations, including coordinate-stretching type PMLs, which are discretised using the Galerkin method with Fourier basis functions in the transversal direction. The proposed method is then assessed in a wide variety of situations, including 2D propagation of TE and TM waves and 3D full-vectorial situations. The obtained results show that good accuracy can be obtained even for complex strongly-guiding waveguides with a small number of basis functions.     

A Novel Three-Dimensional Wide-Angle Beam Propagation Method Based on Split-Step Fast Fourier Transform

A novel three-dimensional wide-angle beam propagation method based on the split-step fast Fourier transform is developed. The formulation is based on the three-dimensional Helmholtz wave equation. Each propagation step is performed by utilizing both the FFT and split-step scheme. The solution of Helmholtz wave equation does not make the slowly varying envelope and one-way propagation approximations. To validate the efficiency and accuracy, numerical results for a propagation beam in a tilted step-index optical waveguide are compared with other beam propagation algorithms.     

2.5维圆波导开放边界截断的修正完全匹配层方法

 在时域有限差分算法中，完全匹配层是一种高效的吸收边界条件。通过在标准完全匹配层(PML)方程中添加具有物理意义的电导率和导磁率附加项，提出了修正完全匹配层(MPML)方法，给出了圆柱坐标下3维MPML方程，并应用于2.5维圆波导开放边界的截断计算。计算结果表明，在不同频率和模式的激励下，加入平滑电导率和导磁率附加项后，与标准PML方法相比，MPML方法的相对误差降低8~10 dB。