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用有限差分光束传播法计算光波导横模

凤兰  
【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。单纯通过实验的方法来设计光波导器件不但费时而且费力,所以通过计算机辅助设计的方法对光波导器件进行预设计成为一种有效的手段。这种方法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。近几年来出现了一些分析集成光波导的数值分析方法,在这些数值分析的方法中,光束传播法是分析光波导器件的一种有效的方法。 本文介绍了集成光学的现状及发展方向,以及光波导横模解析理论:三层平板光波导和光纤的模式理论,并在Maxwell方程的基础上,根据慢包络近似论,利用有限差分近似来代替偏微分方程,推导出了有限差分光束传播法(FD-BPM)计算所需要的公式,建立了FD-BPM在分析光波导横模时所需的理论模型,并利用FD-BPM分别计算了脊形光波导半导体激光器和变形光纤的横模分布,对m=0,1,2,3,4四种横模阶数的计算结果表明,脊形光波导半导体激光器在m=0的基横模工作时为最理想的模式,此时出现光强峰值在光束中心且呈“单瓣”状。这种光束的光束发散角最小、亮度最高,能与光纤有效地耦合,也能通过简单的光学系统聚焦成最小的斑点,这对激光器的应用是非常有利的。在m≥1高阶模工作时出现轴对称的大小相同的光斑,光束的光束发散角较大,有源区的光强减弱,不能将这种高阶模的激光光束聚焦成较小的光斑,这将影响与光纤高效率的耦合。对变形光纤的计算表明,FD-BPM方法对复杂变形光波导横模的计算非常方便有效。


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