时域有限差分法在光波导分析中的应用及改进

对时域有限差分算法在圆柱坐标下弱导光纤中应用时吸收边界条件的设置及其对计算精度的影响进行了讨论，提出了改善的方法。并且将这种方法应用于一般光纤和光电子晶体光纤传输特性的计算，得到了有用结果。     

平面光波导光场分布的有限时域差分法计算

用有限时域差分法计算了简单三层对称平面光波导中的光场,得到了任意截面上光场的分布.这一方法的优点在于它能完全模拟波导中光场的时域特性,使波导中的光传播完全可视化,模拟横向传播,提取光在波导中的传输模式,也可用于有源波导的计算如光波导放大器.有限时域差分法直接求解依赖时间的麦克斯韦旋度方程,利用二阶精度的中心差分近似,把旋度方程中的微分符直接转换为差分形式.每一步计算都无须作矩阵求逆运算,因此,比其他数值计算方法更有效、精度更高.     

一种硅基金属狭缝表面等离子体波导的设计

设计了一种适用于光电子集成电路的表面等离子体波导结构.利用三维全矢量时域有限差分法对该波导结构进行了数值模拟,并分析了其在基模传输时的模式场分布与金属结构顶角的关系以及其能量限制性.研究了该波导结构在不同金属材料下的有效折射率和传播长度对芯层宽度的依赖关系,讨论了两个该波导结构之间的耦合长度、最大转移功率和彼此间的串扰.结果表明:光场被高度限制在芯层区域,在金属结构顶角为135°时,其能量限制因子更高;在金属材料确定的情况下,有效折射率随芯层宽度增大而减小,而传播长度增大;在芯层宽度一定的条件下,两个波导结构间的耦合长度随波导间距增大而增大,最大转移功率和串扰随波导间距增大而减小.     

利用时域有限差分法模拟介质纳米波导的导波特性

利用时域有限差分法模拟介质纳米波导的导波性质,研究了不同结构波导中的光传输特性.结果表明,通过设计合适的纳米波导结构,可以达到纳米尺度下导波和滤波的目的.     

BESOI光波导的研制

本文通过大量实验,采用键合及背腐蚀方法研制成功 SOI 光波导,传输损耗仅0.85dB/cm.     

离子注入石英玻璃光波导的研究

在熔融石英玻璃衬底上,通过注入氮离子和硼离子,制成了低损耗、单模平面光波导.波导的最大折射率和离子浓度分布的半宽度分别是1.48和0.5μm,波导损耗<0.1dB/cm.     

波导电光调制器结构的全波分析

本文首次用时域有限差分法对波导电光调制器结构进行全波分析。通过引入移动吸收边界条件和自动递归模型,提高了算法的计算精度和效率,获得了调制器结构参数与性能的关系曲线,为实际器件的优化设计提供了重要依据。     

时域有限差分法利用聚焦光脉冲模拟介质球微粒所受单频光阱力

用三维时域有限差分法对光镊装置中介质球微粒所受光阱力情况进行模拟。根据Richards-Wolf矢量场衍射积分公式对消球差会聚透镜像空间中电磁场分布的表示,在总场空间中实现了对聚焦光脉冲的模拟。聚焦光脉冲与介质球微粒的相互作用,通过离散傅里叶变换提取出单频成分,利用计算光阱力的麦克斯韦应力张量公式,计算单频激光对介质球的光阱力。聚焦光脉冲的引入可以使一次计算得到多个频率下的计算结果。对相同的聚焦装置下介质球受不同频率入射光的光阱力情况进行了计算。计算结果表明使用线偏振光作光源时,大数值孔径聚焦透镜和短入射波长有利于介质球的横向操纵;沿光轴方向对介质球进行纵向操纵,需要大数值孔径的物镜和与之相适应的入射波长。     

无曲率奇点的光波导短程透镜的设计

在Ｓｏｔｔｉｎｉ等人提出的求解非球面光波导短程透镜一般解析方法的基础上，研究了卷边函数对透镜旋转母线曲率的影响。指出具有连续二阶导数的母线，可有效地消除曲率奇点，从而在理论上能够减小由于波导弯曲造成的导光损耗。基于这种观点，提出了一种新的卷边函数，求得了透镜轮廓的表达式，进而求得了透镜深度，并与Ｓｏｔｔｉｎｉ等人的解进行了比较。     

用准光波导方法测量聚合物薄膜光学参数

本文报道用准光波导方法测量了沉积在棱镜底面上的聚苯乙烯和聚醚砜薄膜,确定了这两种聚合物薄膜的折射率和薄膜厚度.并用偏振光测定了其双折射.薄膜折射率测量误差为±1×10~(-3),薄膜厚度测量误差为±0.01μm.     

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.     

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.     

用时阈有限差分方法研究光纤微探针近场分布特性

采用三维时间域有限差分（FDTD）方法研究了扫描近场光学显微镜中光纤微探针的近场分布特性,研究结果表明,锥形裸光纤探针的近场光中,以从探针锥变区侧面泄露的光即传播场为主,当在探针的侧面镀上一层金属膜对于从侧面泄露的光具有较好屏蔽效果,因而比裸光纤探针具有更好的空间束缚能力,无论是裸光纤探针还是金属膜探针,入射偏振光从针尖出射手发生了退极化现象,近场分布中产生与入射光偏振方向垂直的其它两个电场分量,而且金属膜探针的退极化分量对近场分布的影响比裸探针显著得多,如果在近场成像中接收退极化分量而不是总场则可以提高近场成像的对比度,还详细地分析了微探针的近场分布特征与退极化之间的关系。     

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。     

平面光波导结构的FDTD分析

将各向异性理想匹配层(APML)吸收边界条件用于平面光波导结构的时域有限差分法(FDTD)分析中,导出了APML媒质中适用于角域和边缘的通用差分方程,并对平行介质带定向耦合器进行了数值模拟和验证,所得数值解与解析解非常一致.该方法可用于任意复杂结构的平面光波导的计算机辅助设计与分析.     

厚二氧化硅光波导薄膜制备及其特性分析

以硅烷和氧化二氮作为反应气体，采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术，不使用掺杂，在单晶硅衬底上制备了用于平面光波导的二氧化硅薄膜。研究了薄膜折射率和淀积速率与工艺参量之间的关系，通过棱镜耦合仪、傅里叶变换红外光谱、原子力显微镜等测试手段，分析了薄膜的结构和光学特性。结果表明，实验能快速生长厚二氧化硅薄膜，薄膜表面平整，颗粒度均匀，同时薄膜具有折射率精确可控和红外透射性能好的特点，非常适合制作光波导器件。     

MRTD算法在集成平面光波导组件分析中的应用

将基于Daubechies紧支集尺度函数的时域多分辨分析（MRTD）算法用于集成平面光波导组件的时域分析中,实现了MRTD算法的各向异性理想匹配层（APML）吸收边界条件,并对平行介质带定向耦合器进行了数值模拟和验证,所得结果与解析解非常一致.与传统的FDTD算法相比,MRTD算法在不牺牲计算精度的前提下能够大大节省计算资源.     

有增益及损耗的平板波导导模的精确微扰分析

给出求含有增益层与损耗层的突变与渐变折射率剖面多层平板波导导模的微扰与解析计算公式。举例讨论了导模模式的增益（或损耗）与结构参数和偏振的关系，本文方法较求解复本征值的打靶法等简便且节省机时，对于（半导体激光器与半导体激光放大器等）实际遇到的波导结构能给出精确数值结果，并可用以分析材料的增益系数或损耗对ＴＥ和ＴＭ模式及其增益的影响等问题。     

An Extension of the Effective Index Method to Analyze Leakage Losses in Rib Type Waveguides

An extension of the effective index method is proposed as a tool to investigate leakage losses in two-dimensional waveguides. The above method, referred to as the Extended Effective Index Method (EEIM), utilizes the Transfer Matrix Technique (TMT) for the calculation of the complex propagation constants. The results show that the EEIM can be applied to conventional rib leaky waveguides as well as to rib ARROW leaky waveguides. The results for rib ARROW waveguides show excellent agreement when compared to those obtained with Finite Element Method.     

超短脉冲激光在掺Er3+ 磷酸盐玻璃中制备光波导的实验研究

超短脉冲激光通过非线性吸收调制光学材料折射率提供了一种高效制备集成三维光子器件的途径.掺Er³⁺磷酸盐玻璃由于其优异的特性以及在1.55μm通信波段附近的发射光谱,成为了集成光学主动增益材料中的研究热点.实验采用重复频率1 kHz,中心波长800 nm,脉冲宽度120 fs的钛宝石飞秒激光放大系统作为制备波导的光源,系统研究了加工参数对激光写入形貌、波导形成及光学特性的影响.实验结果表明,在狭缝整形辅助短焦物镜横向刻写条件下,写入脉冲能量为1.8μJ时,光波导可以在写入速度为10μm/s-160μm的较宽范围内形成;写入速度为40μm/s时,光波导写入脉冲能量参数窗口为1.6μJ-2.0μJ;波导写入深度在125μm-200μm范围时,波导横截面对称性较好且折射率修改明显;近场强度测量结果显示所制备波导近场强度分布对称,导光特性良好.通过有限差分法反推波导区域折射率修改分布,结果显示最大折射率修改为Δn=6.6×10^-4.截断传输损耗测量结果显示所制备波导的传输损耗低至0.91 dB/cm.