基于有限差分束传播法的Mach-Zehnder型波导电光调制器的模拟设计

针对掺钛铌酸锂ＭａｃｈＺｅｈｎｄｅｒ型波导电光调制器的结构及折射率分布，运用有限差分束传播方法（ＦＤＢＰＭ）进行模拟计算，取得了二维情况下的最佳设计尺寸在此基础上，把所得的设计结果与原有的用快速傅里叶束传播方法（ＦＦＴＢＰＭ）所得的结果进行比较和分析结果显示，运用有限差分束传播方法不仅取得了预期的结果，而且，这种方法比原有的快速傅里叶束传播方法更快捷和方便，是器件设计的理想和现实的数值模拟工具     

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。     

Mach-Zehnder波导中TM波的FD-BPM分析

M-Z结构波导是许多集成光学器件中的重要组成单元。本文结合辐射透明边界条件(TBC)，由Maxwell方程导出了TM模有限差分光束传播法(FD-BPM)基本方程．用FD—BPM法系统地模拟了M-Z波导结构中TM模的传播情况，并着重对其结构进行了优化设计．取得了二维情况下的最佳尺寸。研究结果表明，该法在模拟分析集成光学中具有的有效性、方便性和优越性，为实际的设计制作提供了很好的模拟依据。     

基于平方根算符的2维广角有限差分波束传播法

有限差分波束传播法 (FD BPM)是模拟光在光波导器件中行为特性的重要数值方法 ,它的模拟精度决定于它的帕德 (Pad啨)展开阶数以及计算步长 ,阶数越高或计算步长越小精度就越高 ,但是计算时间就越长。为了在比较低的阶数和适中的步长下获得较高的计算精度 ,从平方根算符出发 ,运用了一些试探性的展开方法对平方根算符进行处理 ,得到 3种 2阶广角波束传播法计算公式 ,数值计算表明这些公式比传统广角波束传播法的 2阶计算公式具有更高的精度 ,而且可以将该试探性处理方法推广到更高阶的广角波束传播法。     

半导体激光器圆波导的低耦合损耗机制分析

设计了一种具有圆对称波导的半导体激光器,利用有限差分-光束传播法(FD-BPM)研究了半导体激光器圆波导的远场图象(FFP)与波导参量的关系,并分析了光纤与半导体激光器低损耗耦合机制.     

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.     

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Crank-Nicholson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。     

用极坐标下的广角光束传播法计算分析弯曲波导

采用了极坐标下的广角BPM(Beam Propagation Method)对弯曲波导进行了计算模拟,并与极坐标下近轴BPM方法进行了比较,取得很好的结果.     

16×0.8nm硅基二氧化硅阵列波导光栅设计

给出了更为合理的阵列波导光栅(AWG)的设计原则。在设计时兼顾了输出谱的非均匀性Lu和输出通道数N的要求,克服了设计中可能引起通道数N丢失和不考虑输出谱非均匀性Lu的缺点。用该方法设计了折射率差为0 75%和16×0 8nm的硅基二氧化硅AWG。采用广角有限差分束传播方法(FD BPM)对所设计的AWG进行了输出谱的模拟,得到了插损为 1.5dB、串扰为 48dB、通道非均匀性约为1dB的AWG,设计指标达到了商用要求。     

一种模拟倾斜折射率界面光波导的新方法

针对传统离散格式下，束传播方法(BPM)模拟倾斜折射率界面出现的问题，提出了一种简明且易于编程实现的改进方案. 在横向上，通过坐标系变换和插值处理，以新颖的7点差分格式代替传统的5点差分方式；在纵向上，以四阶显式Runge-Kutta方法(RKBPM)代替二阶Crank-Nicholson算法(CNBPM)，避免了求解不规则矩阵方程，从而使计算效率显著提高. 关键词： 束传播方法 Runge-Kutta方法 光波导 脊形波导     

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。     

二维光子晶体线缺陷结构的光谱辐射特性

光子晶体的禁带特性是该新兴材料的最根本特征。本文运用平面波展开法(PWE)计算了一种正方晶格Si光子晶体材料的禁带特性,并基于该材料设计出一种红外波段的线缺陷光子晶体波导结构。运用时域有限差分法(FDTD)研究了线缺陷二维光子晶体波导宽度对通频带、电场强度及透射能量的影响,研究结果为二维光子晶体波导器件的开发和利用提供了理论支撑。     

基于非对称脊波导的多种聚合物弯波导性能分析

以缩短马赫-曾德尔(M-Z)电光调制器分支波导为目的,将有机聚合物非对称结构的脊波导应用于S弯波导中。采用半矢量有限差分光束传输分析法,系统地分析了不同参数下采用非对称脊波导的三种常见弯波导,即正弦弯、圆弧弯和余弦弯分支波导的TM00光场传输损耗,并与采用对称脊波导的结构相比较。研究表明,在芯层厚度h=1.5μm、脊高为0.3μm、脊宽w=4μm、分支高度G=11μm的情况下,当脊波导短边芯层平板宽度s≥2μm时,在相同传输损耗条件下,正弦弯、圆弧弯和余弦弯分支波导长度分别可减少40%、30%和25%,该结果对有机聚合物M-Z调制器中分支波导的设计具有一定的参考价值。     

基于二维多模干涉效应的N×N光开关模型

报道了由两个N×N三维多模干涉耦合器和一段阵列相移波导组成的三维光开关.首先利用导模传输法分析了三维多模干涉耦合器的一般成像原理,并推导出了其成像位置以及相位矩阵.在此基础上,通过场传输矩阵法建立了光开关的传输方程.利用该传输方程计算得到了光开关工作时,阵列相移波导的相位条件,并通过三维有限差分光束传输法进行仿真验证,给出了光开关工作时的插损、串扰指标,以及光开关输出功率随相移波导相位变化的关系.     

Low group velocity in a photonic crystal coupled-cavity waveguide

A two-dimensional photonic crystal coupled-cavity waveguide is designed and optimized, the transmission spectrum is calculated by using the finite-difference time-domain method, and the group velocity of c/1856 is obtained. To our knowledge, this value of group velocity is the lowest group velocity in a photonic crystal waveguide calculated from its transmission spectrum so far. The result is confirmed by the photonic band structure calculated by using the plane wave expansion method, and it is found that the photonic crystal waveguide modes in a photonic band structure are in accordance with those in the transmission spectrum by using the finite-difference time-domain method. The mechanism of slow light in the coupled-cavity waveguide of photonic crystal is analysed.     

基于表面等等离波子的新型Y分支波导

新型高效的纳米光波导器件的研制纳米集成光学的核心技术之一。Y分支波导作为最基本的分光和光路连接元件是纳米光学器件设计与制备的基础。运用时域有限差分(FDTD)法,模拟计算了基于表面等等离波子(SPP)的纳米Y分支波导的传输特性。结果表明,该新型Y分支波导在光通信波段可以实现大角度的分光功能,且在180°分支情况下,传输效率仍高达92.8%以上。另外,该波导还具有导波性能良好、对分叉处间隙缺陷大小不敏感及制作容差较大和器件尺寸在纳米量级等特点。对该新型光波导器件的研究为未来纳米集成光学器件的研制和应用有一定的指导意义。     

二维三角晶格光子晶体波导的出射光集束传播

为了解决光子晶体波导出射端光场控制, 同时解决二维三角晶格光子晶体波导出射光辐射困难的问题。利用二维三角晶格光子晶体设计了一种新型光子晶体波导出射口结构。在二维三角晶格光子晶体波导出射端引入两个微腔, 通过光波与微腔发生共振, 形成类似于三个点光源干涉的出射光, 同时进一步提出波导出射端喇叭口干涉出射光定向辐射的设计。通过这种微腔喇叭口设计, 利用时域有限差分法分析结果表明光波实现很好的定向辐射, 并且辐射距离显著提高。     

Visible and near-infrared optical properties of Nd:CLNGG crystal waveguides formed by proton implantation

A Nd:CLNGG waveguide structure operated at wavelengths of both 632.8 nm and 1539 nm was demonstrated for the first time to our knowledge, which was produced by the 480-keV H~+ion implantation with a dose of 1.0×10~(17)protons/cm~2.Its propagating modes at 632.8 nm and 1539 nm were measured by the well-known prism coupling technique. The refractive index profile at either 632.8-nm wavelength or 1539-nm wavelength was optical barrier type in the proton-implanted Nd:CLNGG crystal optical waveguide, which was calculated by using the reflectivity calculation method. The near-field light intensity distributions were also simulated by the finite-difference beam propagation method in the visible and nearinfrared bands.     

Splitting the surface wave in metal/dielectric nanostructures

We investigate a modified surface wave splitter with a double-layer structure, which consists of symmetrical metallic grating and an asymmetrical dielectric, using the finite-difference time-domain (FDTD) simulation method. The metal/dielectric interface structure at this two-side aperture can support bound waves of different wavelengths, thus guiding waves in opposite directions. The covered dielectric films play an important role in the enhancement and confinement of the diffraction wave by the waveguide modes. The simulation result shows that the optical intensities of the guided surface wave at wavelengths of 760-nm and 1000-nm are about 100 times and 4～5 times those of the weaker side, respectively, which means that the surface wave is split by the proposed device.     

1×4光子晶体波导分束器的特性

在完整的二维光子晶体中引入线缺陷,形成了光子晶体波导,光子晶体波导分束器是集成化光学电路的重要组成元件。我们设计了一种线缺陷1×4光子晶体分束器,并且用有限时域差分法研究了它的特性。研究表明,输出端的透射传输特性与入射光的波长和分支的几何形状有关,并且入射波分别相等地流入四个输出端口。为了减少1×4分束器在三个Y型分支区的反射,可以通过调节在分支区的可调介质柱的半径R,使每个输出端口具有很高的透射率。