基于[(p-1)/p]Padé近似的光束传播法的研究

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本文系统地研究了光束传播法的原理,给出了在光束传播法中应用[(p-1)/p]Padé近似方法,实现对光波导TE模式仿真中消逝模的抑制的推导过程及其实现方法。 自从Feit和Fleek于1977年提出计算光纤模式特性的方法以来,逐渐发展出很多光波导数值仿真方法,光束传播法(Beam Propagation Method,BPM)就是其中之一。光束传播法描述的是整个介质上(包括波导区和非波导区)的场分布,广泛地应用于无源波导器件和光纤中电磁场模式特性的分析中。 光束传播方法根据光束传播方向与计算方向之间夹角的不同情况,又可以分为傍轴近似和广角光束传播法。在很多文献中对于广角光束传播方法提出了多种变型,基于Padé近似算子的光束传播方法就是其中被广泛应用的一种。该方法简单、方便,同以往的傍轴光束传播方法相比,在几乎不增加计算量的情况下,使计算的精度、稳定性大大的提高,打破了原先光束传播法要求折射率沿传播的方向上缓变的应用原则。目前,该方法多是建立在传统[p/p]Padé近似的基础之上,但由于算法本身在抑制消逝模方面存在着不足,尤其在仿真建模中对波导结构采用阶梯式(staircase)近似时,会进一步激励消逝模,降低仿真精度。 本论文的主要工作就是针对如何抑制消逝模的问题展开的。本文针对光波导TE模式的仿真,给出了基于新型的Padé近似方法——[(p-1)/p]Padé近似的光束传播法的推导过程及实现过程。阐述了该方法在光束传播法中的理论推导,给出详细的系数推导方法,并从对劈形波导中的光传播的仿真以及其归一化输出功率等方面,论证了该方法在抑制消逝模方面的有效性,补充和完善了[(p-1)/p]Padé在光束传播法中的应用,进一步证实了其在解决基于传统Padé近似光束传播法无法很好抑制消逝模的问题中的重要作用,对现有的光波导仿真软件的优化具有一定的参考价值。 在基础理论方面,本文系统地分析了光束传播法的基本理论,简要介绍了有限差分光束传播法和广角光束传播法,给出了它们的公式形式,并予以实现。在软件应用方面,本文选用了Mathematica和Matlab完成了文中多种算法的实现和图形绘制工作。
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