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左手材料光波导的传输特性

沈陆发  
【摘要】: 左手材料(LHM)是当今电磁研究的热点,当电磁波在其中传输时,它的电场、磁场和波矢构成左手关系,而普通的材料中三者构成右手关系。本文从Maxwell方程组出发,对含左手材料光波导的传输特性进行了研究,内容包括:三层、五层平面波导导模的传输特性;单包层光纤导模和表面波模特性;双包层光纤导模特性以及各类波导之间的耦合,具体如下: 1).含左手材料平面波导的传输特性 光波导中最简单是平面波导。本文对含左手材料非对称三层平面波导的TE模和TM模进行了讨论,得到了导模的色散方程,画出了相应的色散曲线,发现了某些新的特性。比如:左手材料平面波导没有TE_0模和TM_0模;它们的基模色散曲线异常,其它一些导模在截止点附近有双值性;由于Goos-Haenchen位移的反向,它们的等效厚度H可以小于零。 然后对含左手材料五层对称平面波导的导模进行了研究,得到了它们的色散方程,画出了相应的色散曲线。通过对色散曲线的分析,我们发现:最低阶偶TE模,在截止频率附近,芯层中无能量;随着归一化频率V的增加,能量由内、外包层向芯层转移,芯层的归一化功率流的绝对值逐渐变大。然而,最低阶奇TE模,在截止频率附近,芯层和内、外包层的能量相等,随着归一化频率的增加,能量向包层里转移,最后,全部能量都集中在包层中,这些新的特性的发现,可能有利于我们开发新型耦合器件。 2).含左手材料单包层光纤的传输特性 光纤是重要的传输线。本文对含左手材料的单包层阶跃型光纤的导模进行了研究,求得了该光纤矢量解的TE模、TM模、HE模和EH模的特征方程。根据这些特征方程,我们分别在截止点附近和远离截止两种情况下进行了讨论;同时,我们又画出了各导模的色散曲线。通过对这些色散曲线的分析,得到了左手材料光纤的某些新的特性。比如:该种光纤的HE_(11)模不是最低模;它存在TE_0模和TM_0模,而这又不同于左手材料平面波导的传输特性。 我们讨论了含左手材料阶跃型单包层光纤的表面模,分别求得了该种光纤的表面模TE_0(TM_0)、HE_m和EH_m模的特征方程,画出了相应的色散曲线,并与相应的左手材料单包层光纤导模的色散曲线进行比较、分析,得到了左手材料光纤表面模的新的特性。例如:该种光纤的表面模TE_0和对应的导模TE_(01)在截至点连续;表面模HE_1,HE_2,HE_3不是分别和对应的导模HE连续,反而分别和对应的导模EH_(11),EH_(21),EH_(31)在截至点连续,等等。 3).含左手材料双包层光纤的传输特性 本文对含左手材料的双包层光纤进行了详细的研究。我们通过对该光纤导模的传输特性进行了分析,精确地求得了该种光纤的混合模、TE模和TM模的色散方程。根据它们的色散方程,我们画出了该种光纤TE模的色散曲线,同时,分别讨论了内包层折射率和内包层厚度对色散曲线的影响,得到了某些新的特性。比如:该种光纤的内包层折射率增加,截止频率变大;当该光纤内包层厚度的增加时,截止频率减小等等。 由于求解精确解的复杂性,我们又对含左手材料的双包层光纤的导模进行了近似求解。我们分别得到了HE、EH、TE和TM模的色散方程,并将这些色散方程在远离截止的情况下举行了简化,得到了最低阶导模色散方程的简化条件。同时,我们画出了部分导模的色散曲线,得到了许多左手材料光纤导模的新特性。比如:该种光纤的最低阶导模的反常色散,各导模的截止频率都不等于零,等等. 4).含左手材料光波导之间的耦合特性 关于光波导之间的耦合特性的研究,对于它们的实际应用有很重要的意义。本文首先对含左手材料光波导之间的耦合特性进行了研究,经过数学计算,得到了含左手材料光波导的拓展耦合波方程,定义了相应的拓展耦合系数。在含左手材料光波导的耦合系数的方程中,不仅包含了电场分量,而且还包含了磁场分量,因此比普通光波导的耦合系数要复杂的多。我们将该拓展的耦合系数方程应用于三层含左手材料对称平面波导之间的耦合,求出了该平面波导之间的耦合系数,画出了相应的耦合曲线。比较这些耦合曲线,我们发现:对于同一个归一化频率Ⅴ,两波导之间的的距离越近,耦合越强;导模的模阶数越小,耦合越强。 其次,我们利用拓展的耦合系数,对含左手材料五层对称的平面波导之间的耦合进行了研究,求得了偶TE模的耦合系数。显而易见,该耦合系数的表达式比对应的右手材料平面波导的耦合系数要复杂得多。 最后,我们还讨论了纤芯是左手材料,包层是右手材料的相同的左手材料的阶跃型光纤之间的耦合。通过计算,我们得到了含左手材料光纤TE_(01)模的耦合系数,画出了耦合曲线。分析这些耦合曲线,我们发现:该光纤的纤芯折射率的绝对值越大,耦合越强。


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