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。     

聚合物电光调制器中马赫-曾德尔波导的算子展开法分析

利用有效折射率法计算聚合物脊形光波导的横向折射率分布,将三维光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,采用慢变包络和傍轴近似,得出传播光场满足的单步传输约束关系;运用微分算子的级数展开得到相应的递归公式,考虑微分算子的差分近似得出基本的计算格式;运用对称矩阵的相似变换对算子展开法进行加速处理。在此基础上,对马赫-曾德尔(M-Z)型光波导中TM模的传播特性进行理论分析,研究了脊宽、分支角等结构参数对插入损耗的影响。研究表明,算子展开束传播法可以较好地解决聚合物脊形M-Z波导的理论分析和设计问题。该方法精度高、计算量小,为聚合物电光调制器的制备提供了理论依据。     

聚合物波导M-Z调制器TM模的泰勒级数展开法研究

根据聚合物脊型波导的结构特点,利用有效折射率法求出其横向折射率分布,将三维传播转化为二维传播,并从标量波动方程出发,在傍轴近似的情况下,采用Crank-Nicholson差分格式,得到了泰勒级数展开法基本计算格式,并对算法进行了适当优化;通过对Mach-Zehnder光波导TM模的模拟,分析了各种参数对损耗的影响。结果表明：泰勒级数展开法具有精度高、稳定性好、算法简单、易于编程等优点,是一种比较理想的光波导数值分析方法,可为聚合物电光调制器的设计制作提供理论参考。     

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5 μm,波导间距20 μm。     

电光有机聚合物多模干涉分束器

分束器是光纤通信系统中光无源网络和光子集成回路的重要器件.1×2 MMI(multimode interferences)电光有机聚合物分束器是利用自成像效应设计的.分析了1×2 MMI 的工作原理.利用有效折射率方法(effective index method,EIM)计算出1×2 MMI 三维多模脊形波导的有效折射率分布.利用自成像效应的成像规律计算出成像位置并用导模传输分析法(guided-mode propagation analysis,MPA)对输出波导的光强进行模拟.分析表明:在波长为 1.55μm 的情况下,1×2 MMI 的输出波导的光强在未加电极时可以实现预定分束比输出;加上电极之后,由于电光效应可调控有机聚合物波导折射率的改变,利用有限差分光束传播法模拟输出波导的分束比可在7.6 dB 范围内可调.     

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。     

基于电光聚合物的表面等离激元调制器

基于电光聚合物,提出了一种结构简单,尺寸小,效率高的表面等离激元(SPP)调制器.该调制器采用M-Z干涉仪结构的金属波导,金属周围是均匀极化后的电光聚合物,通过在金属波导两臂间加电压对聚合物折射率进行调制,折射率调制再通过M-Z干涉仪结构转化为对金属波导中SPP强度的调制. 通过求解金属波导附近的电场分布,并结合SPP场分布的特点,在理论上说明了这种结构可以通过外加电压有效地调制金属波导输出端SPP的强度,调制所需的半波电压约为2.8V. 关键词： 表面等离激元 电光调制 电光聚合物     

聚合物脊形光波导的变分有效折射率法分析

聚合物脊形光波导是聚合物集成光电子器件的重要构成单元.利用有效折射率法计算聚合物脊形光波导的横向折射率分布及有效折射率,将各区域中的光场分布近似用分段函数表达.基于导模满足的标量波动方程,利用变分法确定变分参量,以求得准确的横向光场分布.对聚合物脊形多模光波导基模和高阶模的色散特性与横向场分布进行分析,研究了波导结构参数对色散特性的影响,计算出TM基模和高阶模的光场分布,得出了聚合物脊形光波导的单模传输条件.研究表明,该方法计算量小、精度高,对聚合物光电子器件中脊形光波导的理论分析与设计优化提供了简单高效的方法.     

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。     

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.     

一种适用于任意折射率分布的等效折射率方法

提出了一种新的等效折射率方法,可以将光波导的两维折射率分布精确等效成一维折射率分布。从波动方程出发,通过严格的数学推导,得到了一维等效折射率分布的表达式。该等效折射率分布由二维光波导的模场分布和折射率分布决定。在此等效过程中,几乎无任何近似,因此具有比传统等效折射率方法(EIM)更高的精度,而且不受波导截止条件的限制,并适用于任意的折射率分布结构。以SOI(silicon-on-insulator)脊型光波导为例,给出新方法的一个具体等效实施过程,比较了新方法与传统等效折射率方法计算得到的等效模场分布及等效折射率,结果显示本文方法的有更高的计算精度。最后,文中给出了一个利用这种等效方法计算弯曲波导损耗的例子。新方法可以使对三维结构(截面为任意折射率分布)的模拟简化成二维模拟。     

一种基于光学偏置的新型Math—Zehnder调制器结构设计

设计了一种基于光学偏置并以有机聚合物PMMA／DRI作为光波导材料的新型Mach-Zehdner调制器。利用有效折射率法（EIM）,分析了脊波导的有效折射率随脊波导结构参数变化情况,包括脊宽训、脊高b和芯层厚度d,以及上下包层厚度。采用微带线单电极调制方式结合脊波导的结构设计,实现了微波和光波的速率匹配。针对优化的结构参数,采用BPM方法进行光场和功率传输的模拟仿真,完成了非等臂Math—Zehnder调制器的结构设计,实现了两臂89．84。的初始相位差,消光比约为27dB。     

Calculation of effective index for different dielectric waveguides structures made of PVCi/PMATRIFE polymers at telecom-wavelength \lambda =1.55\,\upmu m

In this paper, a number of polymeric waveguide structures have been analyzed by using two distinct techniques which are: effective index method (EIM) and numerical simulation based on finite difference method (FDM). The main aim of this investigation is the calculation of effective indexes (EI) of the following structures: rib, ridge and buried channel waveguides at telecom wavelength $\lambda =1.55\,\upmu \hbox {m}$ for different dimensions of waveguide cores varying from 1.5–4  $\upmu \hbox {m}$ . Moreover, other optical propagation characteristics such as: confinement factor, normalized and propagation constant have been studied in TE polarisation. Otherwise the effect of the structure parameters and dimensions on the dispersion characteristics has been investigated. On the other hand, the optical field distribution has been computed using commercial software named OlympIOs. The polymers applied in the design of waveguide structures are the PVCi (n = 1,562 $\lambda = {1.55}\,\upmu $ m) used as core layer and the PMATRIFE (n = 1,409 $\lambda = 1.55\,\upmu $ m) used as substrate or cladding layer. The results obtained using EIM and simulation based on FDM show that effective index and field confinement factor of TE fundamental mode increase monotonously with the increasing dimension of core. The obtained results are in good agreement with published data based on other numerical methods.     

一种硅基SiO2波导耦合器的设计与分析

波导耦合器是组成光纤传感系统和光纤通信系统光收发组件及模块的重要元器件,是实现光收发模块一体化光电集成的基础。给出了一种用光纤陀螺系统的X型四端口波导耦合器的工作原理,采用有效折射率法和BPM(Beam propagation method)法建立了耦合器的数学模型,计算并分析了耦合器尺寸在尽可能小的情况下和在满足单模传输的条件下耦合器的耦合系数、有效耦合长度、分光比以及回波损耗等参数之间的关系,并对其关键技术进行了系统的研究。仿真结果表明,所设计的波导耦合器在低损耗情况下分光比可达到50%∶50%,耦合器全长为33.5mm,输入输出波导间距为410μm,芯层截面积为6μm×6μm。     

Analysis of integrated corner mirrors by using a wide-angle beam propagation method

An integrated corner mirror is analyzed by using a two-dimensional (2D) wide-angle beam propagation method (WA-BPM) combining with an effective index method (EIM). Both the reflection efficiency and the phase variation due to a total internal reflection (TIR) for the TE and TM modes are calculated. A non-perfect fabrication (such as a tilted or displaced mirror) introduces an additional reflection loss and some errors of the phase variation. The additional reflection loss due to a tilted mirror increases rapidly as the tilted angle increases and becomes more sensitive to the tilted angle when the confinement of the waveguide becomes weaker. It is shown that the displacement of a mirror influences the phase variation greatly and the difference of the phase variation between the TE and TM modes is not sensitive to the displacement of the mirror.     

聚合物Y分支脊形波导的单模条件

有机聚合物光波导近年来成为研究的热点,它为实现下一代的光电集成回路提供了另外一种选择。它所具有的一系列优点如下:(1)与传统的材料相比,有机聚合物光波导容易在各种衬底上制作,其制作成本也得以降低,并且使得与有源器件如激光器、调制器、探测器的单片集成成为可能;(2)有机聚合物波导材料的折射率可以进行调整以满足耦合损耗和弯曲损耗的折中选择;(3)此外,有机聚合物的热光系数比SiO₂大一个数量级,而其导热系数却比SiO₂和Si小得多。有机聚合物Y分支是强度调制器和光开关等器件的重要组成。光波导器件在和单模光纤一起使用时要求其实现单模传输,这样可以减少耦合损耗。利用变分有效折射率法计算了聚合物Y分支脊形波导的光场分布。变分有效折射率法是变分法(VM)和有效折射率法(EIM)的结合,它结合了两种方法各自的优点,能够很精确地模拟光场分布情况。利用变分有效折射率法验证了满足单模传输的脊形波导结构参数:芯层厚度为1.5μm,脊高为0.2μm,脊宽为5μm。     

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。