红外与激光工程
2023, 52(9): 20220897
为了实现高精度温度传感的目的, 设计了一种新型双芯光子晶体光纤耦合微扰传感结构, 采用有限差分光束传播法对该结构的传感特性进行了分析。利用RSOFT软件的Beampronp模块对该传感器特性进行了仿真研究。结果表明, 在满足双芯耦合条件下, 折射率灵敏度可达7000nm/RUI; 耦合间距灵敏度可达2;在填充液体为乙醇时, 该传感结构可实现温度范围为278K~338K的检测, 在该范围内的灵敏度可达4nm/K。该传感器检测线性度高、工艺简单, 对其它相关传感器的研究有一定帮助和意义。
光纤光学 传感器 有限差分光束传播法 双芯光子晶体光纤 耦合微扰 体积膨胀 fiber optics sensor finite-difference beam propagation method dual-core photonic crystal fiber coupling perturbation volume expansion
安庆师范大学物理与电气工程学院, 安徽 安庆 246133
设计了一种非对称臂马赫-曾德尔干涉仪(MZI)型硅基二氧化硅偏振分束器(PBS), 在1535～1565 nm波长范围内, 其偏振消光比大于20 dB, 插入损耗大于-0.5 dB。采用有限差分-束传播法(FD-BPM)进行误差分析, 分别计算了多模波导的宽度和长度以及非对称臂的宽度和长度误差对偏振分束器性能的影响。仿真结果表明, 多模波导长度和非对称臂长度误差分别小于±2 μm和±4 μm时, 偏振分束器的消光比和插入损耗仍能保持较好的结果; 而要保持20 dB以上的偏振消光比, 多模波导宽度误差应小于±500 nm, 非对称臂宽度误差应小于±4 nm(宽臂)和±2.5 nm(窄臂)。非对称臂宽度对工艺的要求比较高, 拟利用热光效应改变波导折射率来补偿波导尺寸变化引起的相位误差, 以便下一步制备出高性能的硅基二氧化硅偏振分束器。
光学器件 硅基二氧化硅波导 偏振分束器 有限差分-束传播法 误差分析 激光与光电子学进展
2017, 54(12): 122301
邢台学院物理与电子工程学院, 河北 邢台 054001
针对半导体激光二极管(LD)与单模尾纤(SMF)的耦合问题, 提出了一种基于渐变折射率光纤(GIF)的耦合机制。GIF被设计为SMF的前端耦合部分, 采用大芯径以匹配LD输出远场分布, 椭圆形的纤芯形状可有效匹配LD椭圆输出光束, 并实现有效聚焦与控制。基于有限差分束传播法对耦合过程进行的理论分析表明, 采用该方法功率耦合效率可达到88%, 1 dB插入损耗对应的GIF长度容差为75 μm,长轴与短轴方向的横向偏移容差分别为28 μm和10 μm。该方案对高功率LD耦合单模光纤设计有一定的参考价值。
激光光学 光纤耦合 有限差分束传播法 渐变折射率光纤 半导体激光二极管 激光与光电子学进展
2017, 54(5): 051407
北京交通大学光波技术研究所全光网络与现代通信网教育部重点实验室, 北京100044
论述了SMS(单模-多模-单模)光纤结构的多模干涉基本理论, 利用FD-BPM(有限差分光束传播法)对渐变折射率多模光纤和阶跃折射率多模光纤进行数值模拟, 将自聚焦位置、激发模式等特征进行对比, 给出渐变折射率多模光纤的优点。利用自聚焦效应, 对渐变折射率多模光纤的聚焦和发散作用进行了理论分析, 以较短的长度充当透镜的功能, 并总结了现阶段的主要应用。
多模干涉 渐变折射率多模光纤 自聚焦位置 multimode interference graded-index multimode fiber FD-BPM finite difference beam propagation method (FD-BPM) self-focusing location
1 暨南大学光电信息与传感技术广东普通高校重点实验室, 广东 广州 510632
2 暨南大学光电工程研究所, 广东 广州 510632
在建立了侧边抛磨光子晶体光纤D型光纤光学模型的基础上，采用三维有限差分光束传输法计算和分析了侧边抛磨光子晶体光纤的光功率衰减、传输模场等与抛磨区几何参数（剩余半径、轴向旋转角、侧边抛磨区长度）的变化关系。结果表明，当剩余半径大于-1.5 μm时，侧边抛磨光子晶体光纤的光功率衰减随着剩余半径的减小而增大；光沿着光纤传输时，基模光传输到抛磨区光功率发生衰减，经过抛磨区后，基模光功率出现回升。沿不同的轴向旋转角方向侧边抛磨，剩余半径大于0.5 μm时，侧边抛磨光子晶体光纤的光功率衰减随着剩余半径变化的差别较小；剩余半径足够小时，光沿着光纤传输到抛磨区时，会产生高阶模，沿轴向旋转角θ=30°侧边抛磨时基模模场分布分散程度最大，且在抛磨区产生更多的高阶模。剩余半径大于1.5 μm时，抛磨光纤长度变化对输出光功率影响很小，剩余半径小于1.5 μm时，输出光功率透射率随着光纤抛磨长度的变化呈振荡变化。分析结果可为侧边抛磨光子晶体光纤的器件制作提供理论指导。
光纤光学 侧边抛磨光子晶体光纤 有限差分光束传输法 光功率衰减 传输模场
三峡大学计算机与信息学院, 湖北 宜昌 443002
大截面单模脊波导器件的几何结构满足单模条件并不意味着波导工作在最佳状态。漏泄模的干扰往往不容忽视。标量有限差分波束传输法(FDBPM)被用来计算具有不同几何尺寸的单模脊波导漏泄模的衰减度。当漏泄模衰减最大时，脊波导的几何尺寸最优。经过优化之后的脊波导，仍然满足单模条件，但漏泄模的衰减很大，对主模不构成干扰。对于一个脊宽固定为2 μm、脊高比率固定为0.45的典型单模波导，将脊波导总高作为可变参数，在总高为5.4~1.3 μm的范围内，计算不同波导尺寸下的漏泄模衰减度，计算表明，总高度2.25 μm是最佳波导尺寸。
集成光学 脊波导 漏泄模 优化 单模 有限差分波束传输法 光学学报
2013, 33(10): 1013002
1 中国科学院半导体研究所 集成光电子学国家重点联合实验室, 北京 100083
2 河南仕佳光子科技有限公司, 河南 鹤壁 458030
阵列波导光栅的平坦化在实际应用中有很重要的意义.本文系统地研究了阵列波导光栅的平坦化.在输入波导、输出波导、阵列波导输入端与输出端上分别引入了指数型锥形波导.通过改变锥形波导的形状和尺寸来实现平坦化的优化.本文首先从理论上论述了引入指数型锥形波导的输出光谱特性, 给出了结构参量的关系表达式, 阐明了输入波导处的锥形波导是影响输出光谱平坦化的主要因素, 阵列波导和输出波导处的锥形波导对输出光谱的平坦化有一定的影响.其次采用数值模拟的方法模拟了输出光谱, 优化了结构参量, 总结出了指数型锥形波导对平坦化影响的趋势和规律.模拟结果显示, 输出光谱1 dB带宽大于通道间隔的50%, 插入损耗从5.2 dB减小到了4.0 dB, 串扰小于-30 dB.最后, 本文给出了实验结果, 插入损耗减小了0.87 dB, 串扰减小了3.67 dB, 1 dB带宽增加0.1 nm, 增加了54.7%.实验结果表明引入指数型锥形波导提高了阵列波导光栅器件的光谱性能.
阵列波导光栅 平坦化 锥形波导 有限差分光束传播法 1 dB带宽 Arrayed waveguide grating Flat spectral response Taper waveguides Finite difference beam propagation method 1 dB passband width
三峡大学计算机与信息学院, 湖北 宜昌 443002
大截面绝缘硅(SOI)单模脊波导在通信系统中应用广泛，有必要验证文献中给出的单模条件。对于两个满足单模条件的脊波导例子，用标量有限差分波束传输法求解脊波导的导模。如果对波导横向截面上的两个方向细分，模拟实验表明水平方向的单模条件比较精确，垂直方向的单模条件很容易举出反例。更加精确的单模条件公式需要进一步研究。
集成光学 脊波导 单模条件 绝缘硅 有限差分波束传输法 光学学报
2012, 32(s1): s113002
1 湘南学院 物理与电子信息工程系, 湖南 郴州 423000
2 湖南大学 信息科学与工程学院, 微纳光电器件及应用教育部重点实验室, 长沙 410082
设计了一种简单有效的基于最佳匹配层的三维有限差分光束传输法, 可以分析光束在三维广角情况下的线性与非线性传输特性。数值模拟结果证实了该算法的正确与可靠性。
有限差分光束传输法 最佳匹配层 三维 非线性 finite difference beam propagation method perfectly matched layer three dimension nonlinear
