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在光波长领域,金属条载波导可以承载表面等离子体激元,因此金属可以在集成光学中用作光波导。此外,表面等离子体激元具有将电磁场能量聚集在很小空间范围的特性,可用于制作突破衍射极限的各种高效光学元器件。弯曲波导则被广泛应用于光子集成电路(photonic integrated circuits,PICs)与平面光波光路(planar lightwave circuits,PLCs)中。本文工作的主要内容是提出三种新型的数值计算方法,并配合完美匹配层(PML)边界条件分析研究金属条载波导及弯曲波导。
本文提出的数值方法包括直波导全矢量有限差分本征模分析法,三维全矢量有限差分束传播法,及弯曲波导全矢量频域有限差分泄漏模分析法(柱坐标系)。从Maxwell方程组出发,详细推导了上述三种数值方法的基本方程,然后进行全矢量有限差分。对第一种分析方法,自耦合项及交叉耦合项都采用了多项式拟合差分格式,能够解释电场法向分量在芯包分界处的不连续性;对第二种分析方法,自耦合项采用标准五点差分格式,交叉耦合项则采用一种新型的六点差分格式,纵向采用了改进的交替方向隐式法(ADI)差分格式,具有无条件稳定及计算精度高等优点;对第三种分析方法,根据Yee氏网格,采用中心差分格式直接离散柱坐标系下的麦克斯维方程组(两个旋度方程),所得模场可以很容易引入FDTD算法中。引入的PML边界条件,可以揭示弯曲波导的泄漏特性,并精确计算其纯弯曲损耗。
利用上述数值方法,分析了典型波导结构,与已有研究成果比较,验证文中提出的方法的有效性。深入分析了金属条载波导及弯曲波导的全矢量本征模,给出了其色散特性曲线及相应的模场分布,讨论了波导结构参数对模式特性的影响;设计并分析了一种基于条载金属波导的多模干涉型模式分离器,给出了相应的结构参数,为器件的研制奠定了基础。