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用周期性边界条件模拟导波介质的传播模式及其模式常数的后续分析计算
用周期性边界条件模拟导波介质的传播模式及其模式常数的后续分析计算
例子:平板波导
基本参数:光波长1064nm,导波介质为钕玻璃(n=1.54),介质厚度1000nm。
波导中传播模式的理论值:通过理论计算(见附录),可知该频率的TE光在这个波导中存在两个模式。基模(m=0)的角度为74.533°,即β=k*n*sin74.533°,传播方向x上的空间波长为 =1064nm/1.54/sin74.533°=716.871nm。
1模(m=1)的角度为42.192°,传播方向x上的空间波长为 =1064nm/1.54/sin42.192°=1028.72nm。
在例子中我们就将通过数值模拟,处理得到空间波长从而得到各个模式的角度。
STEP1:建立EastFDTD文档。
设置合适的参数:
选择合适的单位:本例子的波导厚1微米,脉冲中心波长1.064微米,故长度单位取0.01微米比较合适。
选择边界类型:为了节省计算空间,边界条件x方向为周期性的边界条件。Y方向为PML吸收边界条件。由于是2D模型,Z方向为周期性边界条件。由于本例子的计算空间是相当大的2000*200,为保证y方向上吸收干净,PML吸收边界设置多一些,本例子用32层。
设置计算区域:为了避免脉冲在传播过一个周期长度后头尾相干叠加影响计算结果,x方向一个周期的长度不能小于光源脉冲的长度。而且为了空间分辨率提高,要尽可能的增加一个周期的长度,但x方向越长计算时间也越长,所以要适当取舍。本例子中的2D结构计算时间短,x方向不妨设得长一些,这里设为正负1000。由于波导厚度为1微米,故y方向设置正负100。为了达到平衡后,只留下导模的光,计算时间设得较长,为15000步。
STEP2:建立材料。
这个例子只有两种材料:空气和钕玻璃。空气不用新建,所以只新建一个材料。介电常数设为折射率的平方。
STEP3:新建结构。
这个例子中的结构只是一片平板波导,非常简单,设置一个贯穿计算空间的宽为100的长方形介质就可以了。故x方向设为3000格长,比计算空间2000要长。
注意,由于要用周期边界模拟一个无限长结构,所以x方向长度一定要大于计算空间。
STEP4:新建光源。
理论上我们只研究1064nm波长的光波,应该采用恒定光源,但恒定光源在周期性边界条件中会发生首尾相干叠加,使我们无法得到空间波长,所以本例子选择Gauss脉冲,由于脉冲宽度要小于周期长度,我们估算:,所以,这里设定的width为半宽,所以应该设定的值要更小几倍以减少误差,本例子取为2000较为合适。由于本例子需要各种传播角度的光,所以在中心设置一个尺度很小的x正方向发射的扩展光源,光源y方向的宽度为5格,即1/wa=0.2。中心频率即为2.819e14。为了将反向发射波较少到最小,etha要和介质匹配,设为折射率1.54。
STEP5:新建记录。
由于是要分析空间场分布,所以我们记录中心频率即为2.819e14在xy平面上的场分布。采用SliceCpl模式记录。起始时间设为5000步,omega设为2.819e14,保存名称为slice。其他默认。
计算之前的界面是如下图的样子,如果检查无误,请保存并运行。
STEP6:FDTD运算
运行模拟计算
STEP7:数据分析
SliceCpl模式记录会生成不同偏振的不同方向的电场分布。
我们这里只需要挑Ez的一个偏振分量就可以了,它的记录文件是: slice.EzR.e2d
用matlab对它的介质中的每一行做傅里叶变换,然后平均。
得到x方向上的空间波谱:
找到两个峰值,一个为71.43,另一个为105.3。即得到两个模式的空间波长为714.3nm和1053nm。前面得到的理论值为716.87nm和1028.73nm。误差分别为0.358%和2.36%。
STEP7:进一步的例子
本软件可以构造任意形状和任意介质的导波材料。之所以用这个平板波导的简单例子,是因为只有这么简单的例子才有理论值可以验证。下面附上一个同样一块平板波导,但其一边有周期性缺陷的结构的例子的结果:
计算模型,缺口内为空气,深25,宽100,周期200,如图:
如上运算后得到波谱图:
1053nm的峰未变,但725.25nm的峰消失了,这可能是因为2000nm的周期结构正好和m=1模的x方向空间波长1053nm匹配,而基模725nm因此被滤掉了。这说明周期性的缺陷结构可以起到滤除特定模式的波导的作用。在峰的周围出现了很多小的峰值,而且主峰的展宽明显变大。说明存在缺陷后,不但波导原有的传播模式变化,并产生了其他杂乱的模式。
附录:平板波导模式的理论推导
引用曹庄琪老师的《导波光学》(北京:科学出版社,2007)中17页的公式2.18,即由平板波导模式本征方程改写的超越方程:
本例子中波导上下介质相同
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