光波导计算中的时域有限差分法

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时域有限差分(FD-TD)法是在时域中求解电磁场的一种数值计算计算方法,它把带时间变量的Maxwell微分方程转化为差分方程来求解其电磁场各分量。自从FD-TD法创建以来,它主要被应用于研究一般的电磁波对各种物体的作用,而用于光场研究的报导还很少见。 以前对光波导的研究一般是采用解析法,且局限于研究结构规则的波导器件,对于结构不规则的波导器件解析法则无能为力。随着光波器件的发展,八十年代以来,出现了各种各样结构复杂的光波导,精确求解其电磁场边值问题能给光波器件性能的优化和设计提供理论基础。由于任意光波导的复杂性,通常难以得到精确的解析解,需采用数值计算方法。其它数值计算方法都有各种各样的局限性,而时域有限差分(FD-TD)法具有直观、快捷、程序简单通用、节省内存和计算时间、所得数据和图象物理概念清晰等一系列优点。本论文将这种方法引入光波导中光场的计算,得到了与众多文献利用解析法所得结果一致的结论,证明了FD-TD法用于光场研究的可行性和有效性。 论文首先分别用二维标量FD-TD法和矢量FD-TD法分析了平面波导和渐变折射率波导的基模(TE0)和高阶模(TE1、TE2)的模场分布情况。结果表明两种方法所得图形基本一致,但标量FD-TD法比矢量FD-TD法更简单、方便、占用机时少,而矢量FD-TD法则更精确。所以分析一般的平面波导和渐变折射率波导时只需用二维标量FD-TD法就可以满足要求,而对于结构复杂的波导则必须采用矢量FD-TD法才能达到精度要求。在使用矢量FD-TD法时公式中出现了半网格步长,以前的文献都能用将半网格步长点的场值移到整数网格步长点上的方法来消除半网格步长,掀文采用了平均化思想,不需移网脓可达3消除半网格步长的目的。另外,雄置场源时,文中分别用了平面光源、高斯光源、球面光源、SIN6 光源、SIN( 光源H种不同类型的光源作为激励,所得的光场分布图在光场传播湖0稳定后完全相同,且与解析法讨论的理论结果一致。这说明波导中的稳态场分布与激励源的类型和分析方法均无关,只与波导本身的结构抛和光波波长有关。 论文还用三维FD--TD法对条形波导基模的场分布情况进行了研究,所得结果亦与解析分析法所得结论一致,进一步证实了时域有限差分吓D--TD)法在光波导计算中的广泛适用性。
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