用二维时域有限差分法分析条形多层波导

为精确分析条形多层波导和多量子阱波导，本文提出了一种以二维时 限差分法为基础的全波数值方法，给出了场分布的色散特性的数值结果，并与矢量有限元法已有的结果作了比较；文中还研究了以二维时域有限差分法为基础的标量近似技术，提出了它的有效性和精度的局限性。     

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.     

全矢量有限元模型及其在光波导中的应用

为了研究光波导和光子晶体光纤的模式特性和传输特性,从矢量波动方程出发,推导出了各向异性介质中场微分方程复数泛函表达式,利用棱边/节点混合元离散了该泛函,加入了各向异性介质匹配层边界条件,得到关于传播常量的广义特征值方程.以矩形波导为例,对各向异性介质匹配层边界条件的吸收特性进行了研究,得到了基模以及几个高阶模的场分布、色散曲线和损耗曲线.结果表明该方法可靠有效.对正六边形晶格光子晶体光纤进行了分析.数据表明：光纤有效折射率随空气孔直径或波长的增大而减小,但与空气孔圈数无关;光纤限制损耗(confinement loss)随波长增大近似成指数增大,而增加空气孔直径或者空气孔圈数则可使之显著降低.     

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.     

二维介质柱光子晶体波导吸收边界条件

设计优化了用于截断二维正方格子介质柱光子晶体波导的分布布拉格反射波导的结构.二维时域有限差分数值模拟结果显示，在上述两种波导联接处的反射系数可以在大部分光子晶体波导导波的频谱范围内降到1％以下.将这种分布布拉格反射波导和通常的吸收边界条件相结合可以构成用于光子晶体波导的吸收边界条件，其反射率可以降低到-40dB以下，吸收层的厚度可取为晶格长度的1.3倍. 关键词： 吸收边界条件 光子晶体波导 时域有限差分     

时域有限差分法在超高速通信系统中带隙型光子晶体光纤瞬态三维截面上特性研究

利用时域有限差分法针对满足带耦合腔PCFS条件的Maxwell方程组进行电磁场三维矢量变换,来建立关于入射光在光子晶体光纤传播物理数值模型。通过数值仿真表明:在波导色散作用下,当空气间隙增大,其TE波在直角坐标系中三维矢量数值大小与网格步长递增呈正比变化,且瞬态截面分裂速度减缓且数目递减、体积变大;反之,当空气孔间隙减小,其TM波三维矢量随着传输网格步长递增,瞬态截面分裂呈细丝状且数目递增、体积变小。同时,随着角频率w0增大,磁场x,y方向中心强度随时间网格呈对称式变化且峰值强度逐渐递增;同时在L+Nd=150(N=0,1,2;l0)处存在拐点;在电场z方向,振幅抖动愈加频繁且峰值连续上涨,相位峰值逐渐递减且脉宽呈压缩变化。     

时域有限差分法数值仿真单光镊中微球受到的光阱力

本文采用三维时域有限差分法(FDTD)和Maxwell应力张量法建立了单光镊在焦点附近俘获球形微粒的光阱力模型,采用基于球矢量波函数(VSWF)的五阶高斯光源作为仿真光源,得到了准确的光场传播.讨论了光源的波长、束腰、偏振态和微球的半径、折射率对光阱力的影响,分析了在单光镊俘获微球时,邻近微球对光阱力的影响.特别研究了光源的偏振态对微球所受光阱力的作用效果,仿真结果表明圆偏振光比线偏振光对微球的俘获力更大;被光镊稳定俘获的微球,会受到邻近微球干扰,失去平衡状态,改变光源的偏振态可以改变微球的受力状态. 关键词： 光镊 光阱力 介质微球 时域有限差分法(FDTD)     

大规模集成光波导时域有限元差分法仿真的子域合成法

用时域有限元差分的子域合成法(Synthetic subdomain method of FDTD)对大规模的光波导模拟,把仿真的光波导划分成两个或多个区域,在不影响仿真精度的条件下,删除对仿真对象影响不大的区域,并相应改变吸收边界条件进行时域有限元差分法数值模拟,考查光的传播和损耗状况,并与常规方法的运算结果相比较,结果一致且不影响计算精度。与常规方法相比,两段子域合成法所占内存约为前者的55%,时间约为前者的60%,三段子域合成法所占内存约为前者的31%,时间约为前者的28%,可见子域合成法比常规方法更有利于应用于大规模集成光波导的数值模拟仿真,对节省硬件及时间资源具有实际意义,提高工作效率。     

时域有限差分法在建筑声学中的应用及前景

介绍了声波方程的基本差分格式及稳定条件、数值色散、吸收边界条件等数值计算理论，例举了前人用时域有限差分法对噪声传播过程的模拟和室内声学中座椅吸声低谷效应模拟的模拟结果。本文指出，由于时域有限差分法的特点使其具有在模拟脉冲响应方而的特别优势，因而，应用这一技术研究厅堂的声学特性，尤其是低频特性，将有重要意义。     

光子晶体耦合波导实现光开关效应的研究

提出了一种基于光子晶体耦合波导实现光开关效应的方法:将线缺陷引入二维光子晶体以形成两平行的邻近波导,两邻近波导及其中间的两排介质柱构成了光开关模型耦合区;利用平面波展开法计算了不同介质填充率情况下的色散特性.结果发现:减小介质填充率可以实现波导耦合长度的减小;分段调整中间介质柱的填充率和选择不同的耦合搭配长度,定向耦合...     

基于时域有限差分算法的光子晶体光分束器的设计

报道了一种基于空气孔型光子晶体自准直环形谐振腔1×4光分束器。其结构由4个改变空气孔半径的分光镜组成。首先运用多光束干涉原理分析光分束器各个端口的透射谱,通过分光镜的合适组合,自准直光就可以按照设定的比例从各出口出射。再利用编写的二维时域有限差分程序进行数值模拟计算,其结果和理论值很好地吻合。该结构具有尺寸小、自由光谱范围大、硅基等优点,有望应用于未来的高密度集成光路中。     

基于Z变换的高阶完全匹配层实现

基于拉伸坐标完全匹配层(SC-PML)公式和Z变换方法,提出以非分裂场形式来实现具有多极点的高阶完全匹配层的高效算法,来截断时域有限差分(FDTD)网格.在吸收性能方面,高阶PML同时具有传统PML和复频率偏移完全匹配层(CFS-PML)二者的优点.提供的数值算例是二维TE极化电磁波与无限长且有限宽度的理想电导体(PEC)薄片的相互作用.仿真结果显示,高阶PML公式在衰减低频行波和隐失波及减少后期反射方面效果好,比传统SC-PML和复频率偏移的卷积完全匹配层(CPML)算法有更好的吸收性能.     

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.     

基于时域有限差分算法改进卷积完全匹配层的稳定性

为了克服时域有限差分算法中卷积完全匹配层对消逝波吸收效果差的缺点,提出一种在卷积完全匹配层后添加特殊吸收层的方法.在不增加物体与吸收层内层距离的情况下,通过调节特殊吸收层中两个衰减因子,使其为常数,并令吸收因子逐层从1增加到10,来增强吸收层对消逝波的吸收性能.平面波垂直入射到单层光子晶体的算例表明,添加了特殊吸收层的吸收边界在与散射体相距5个网格的情况下仍能够保持计算结果收敛,而传统的吸收边界则需要相距80个网格才能保证结果收敛,说明该方法提高了对消逝波的吸收性能.进一步在结构中采用此吸收边界来计算多层光子晶体的传输特性曲线,并将其与常规方法计算所得结果做比较,两种结果吻合较好.数值算例验证了该方法的有效性和正确性.     

Modal Analysis of Nonuniformly Dielectric Waveguide Using Semivectorially Compact Finite-Difference Time-Domain Method

A compact two-dimensional finite-difference time-domain method is developed for the modal analysis of nonuniform dielectric waveguides. The unsplit-field perfectly-matched-layer absorbing boundary condition has also been extended to this approach. The proposed method approximates the maxwell equations by using the semivectorial wave equations, and the dominant electric fields are solved for two perpendicular polarizations. By introducing the new techniques, complex variables can be avoided in the calculations. At the same time, the number of variables is minimized in the computation domain. Through that, approximately half of the computation effort can be saved without accuracy loss. Numerical examples are given to substantiate the theory. Excellent accuracy has been obtained for the entire frequency spectrum, even near the cutoff region.     

光子晶体光纤及其在光通信中的应用

简述三类光子晶体光纤(Photonic crystal fibers,PCF)的结构、导光机制及特性,介绍了PCF的研究现状和在光通信中的应用,并探讨了PCF的应用前景。     

光波导覆层热膨胀系数对应力双折射影响的分析

用有限元方法计算了硅基光波导器件的应力，得到由应力引起的双折射，从理论上分析了内应力对器件偏振特性的影响。得出结论：硅基与其它层材料热膨胀系数的不同，是引起芯区双折射的主要因素，通过掺杂、调整覆层的热膨胀系数，可以得到双折射系数较小的光波导。     

光子晶体光纤的弯曲损耗振荡特性分析

综合运用弯曲光纤的等效直光纤模型、全矢量频域有限差分法及各向异性完全匹配层吸收边界,计算了两种类型(折射率引导型和带隙型)光子晶体光纤(PCF)的弯曲损耗.通过数值模拟弯曲损耗随弯曲半径的变化关系,证实了两种光子晶体光纤均具有弯曲损耗振荡特性.进而分析了两种光子晶体光纤弯曲损耗振荡的产生机理并给出了与损耗峰对应的包层模式.结果表明,振荡的产生源于基模与包层模式的耦合,其中,折射率引导型光子晶体光纤的弯曲损耗振荡机理类似于传统双包层光纤,带隙型光子晶体光纤弯曲损耗振荡的产生则是两种不同类型的包层模式共同作用的结果.