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标量FD-BPM研究高斯光束在二维及三维波导中的传播

作者：孙静 Publish: 2006-7-8 Hits:-

【中文题名】

标量FD-BPM研究高斯光束在二维及三维波导中的传播

【英文题名】

Scalar Finite-Difference BPM for Gauss Beam Propogating Though 2D and 3D Waveguide

【学科专业】

物理电子学

【论文级别】

硕士论文

【投稿时间】

2006-7-8

【中关键词】

光波导,光束传播法,有限差分,高斯光束,边界条件,

【英关键词】

wave-guide,beam propagation method（BPM）,finite difference,gauss beam,boundary condition,

【分类导航】

工业技术>无线电电子学、电信技术>光电子技术、激光技术>波导光学与集成光学>光波导>

【论文摘要】

随着集成光学技术的发展,诸多具有不同结构、功能各异的光波导器件应运而生。通过计算机辅助设计的手段对光波导器件进行预设计,不但可以节省实验时间和物力,同时能直观完备地反映光波导器件的特性,准确快速地达到预期的设计要求。于是出现了用数值分析方法来分析集成光波导,其中,光束传播法就是分析光波导器件的一种好方法。本文介绍了集成光学的现状及发展方向,以及平板光波导的几何光学分析和电磁理论分析,介绍了光束传播法的发展,比较了几种BPM算法优劣性,分析了二维有限差分光束传播法在分支波导中的应用,讨论了透明边界条件、吸收边界条件和完美匹配层边界条件。在麦克斯韦方程的基础上,根据慢包罗近似理论,利用有限差分近似来代替偏微分方程,详细地推导了标量三维有限差分光束传播法(FD-BPM)所使用的公式,并且对其建立了理论模型。在此模型的基础上,我们充分地运用MATLAB的矩阵运算功能,成功的完成了三维标量BPM程序。三维BPM程序远远难于二维BPM,特别是多个边界的处理。研究了高斯光束在三维波导中的传播,给出了高斯光束在不同位置的光场。通过对高斯光束传输的模拟可以看出,任给一初始场,通过标量三...

【论文题纲】

第一章绪论	8-12
§1-1 集成光学技术的发展现状	8-9
§1-2 集成光学技术主要应用领域	9-10
§1-3 集成光学国际研究进展	10-11
§1-4 本文的主要工作	11-12
第二章光波导理论	12-20
§2-1 平板光波导分析	12-15
2-1-1 平板介质光波导的结构	12-13
2-1-2 平板介质光波导的几何光学分析	13-14
2-1-3 平板介质光波导的电磁理论分析	14-15
§2-2 其它几种类型的光波导	15-20
2-2-1 矩形介质波导	15-16
2-2-2 半导体分支光波导	16
2-2-3 金属包覆介质波导	16-17
2-2-4 各向异性介质光波导	17
2-2-5 弯曲波导	17
2-2-6 圆柱介质光波导(光纤)	17-20
第三章光束传播法	20-31
§3-1 光束传播法的发展	20
§3-2 BPM算法分析	20-23
3-2-1 FFT-BPM	21-22
3-2-2 FD-BPM-	22
3-2-3 FE-BPM	22-23
§3-3 边界条件的处理	23-27
3-3-1 透明边界条件	23-24
3-3-2 吸收边界条件	24-25
3-3-3 PML边界处理方法	25-27
§3-4 数值方法和计算参数对BPM精度的影响	27-31
3-4-1 三维BPM与二维BPM的比较	27-28
3-4-2 剖分点数对模拟精度的影响	28-29
3-4-3 传播步长对模拟精度的影响	29-30
3-4-4 初始有效折射率n0对二维BPM模拟结果的影响	30-31
第四章二维FD-BPM在分支光波导中的应用	31-36
§4-1 二维FD-BPM数值计算	31-33
4-1-1 BPM数值计算	31-32
4-1-2 BPM数值计算程序框图	32-33
§4-2 FD-BPM在矩形介质波导中的应用	33-34
§4-3 FD-BPM在分支光波导中的应用	34-36
4-3-1 Y结分支波导	34-35
4-3-2 结果分析	35-36
第五章三维FD-BPM对高斯光束传输的数值模拟	36-50
§5-1 高斯光束	36-40
5-1-1 高斯光束表达式	36-38
5-1-2 高斯光束的光强与功率	38-39
5-1-3 高斯光束的束腰半径与发散角	39-40
§5-2 三维FD-BPM的数值计算	40-44
5-2-1 数值计算	40-43
5-2-2 BPM数值计算程序框图	43-44
§5-3 模拟和分析	44-50
第六章结论	50-51
参考文献	51-55
致谢	55-56
攻读学位期间所取得的相关科研成果	56

【DOI】

LunWen.ID:2.2008.341023



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