Метод распространения луча - Beam propagation method

В метод распространения луча (BPM) представляет собой приближенный метод моделирования распространения свет в медленно меняющийся оптические волноводы. По сути, это то же самое, что и так называемый параболическое уравнение (PE) метод под водой акустика. И BPM, и PE были впервые представлены в 1970-х годах. Когда волна распространяется по волноводу на большое расстояние (большее по сравнению с длиной волны), строгое численное моделирование затруднено. BPM опирается на приближенные дифференциальные уравнения, которые также называют односторонними моделями. Эти односторонние модели включают только первый порядок производная по переменной z (для оси волновода) и их можно решить как задачу «начального» значения. Проблема «начального» значения не связана со временем, а связана с пространственной переменной z.^[1]

Исходные BPM и PE были получены из приближение медленно меняющейся огибающей и это так называемые параксиальные односторонние модели. С тех пор вводится ряд улучшенных односторонних моделей. Они взяты из односторонней модели с использованием оператора квадратного корня. Они получены путем применения рациональных приближений к оператору квадратного корня. После того, как однонаправленная модель получена, ее все еще необходимо решить, дискретизируя переменную z. Однако можно объединить два шага (рациональное приближение к оператору квадратного корня и дискретизация z) в один шаг. А именно, можно напрямую найти рациональные приближения к так называемому одностороннему пропагатору (экспоненте оператора квадратного корня). Рациональные приближения нетривиальны. Стандартные диагональные аппроксимации Паде имеют проблемы с так называемыми кратковременными модами. Эти затухающие моды должны быстро затухать по z, но диагональные аппроксимации Паде будут неправильно распространять их как распространяющиеся моды по волноводу. Теперь доступны модифицированные рациональные аппроксимации, которые могут подавлять кратковременные моды. Точность BPM можно еще больше повысить, если использовать одностороннюю модель энергосбережения или одностороннюю модель с однократным разбросом.

Принципы

BPM обычно формулируется как решение Уравнение Гельмгольца в случае гармоники времени, ^[2][3]

${displaystyle (abla ^{2}+k_{0}^{2}n^{2})psi =0}$

с полем, написанным как,

${displaystyle E(x,y,z,t)=psi (x,y)exp(-jomega t)}$.

Теперь пространственная зависимость этого поля записывается по любому TE или TM поляризации

${displaystyle psi (x,y)=A(x,y)exp(+jk_{o}u y)}$,

с конвертом

${displaystyle A(x,y)}$ следуя медленно меняющемуся приближению,

${displaystyle {frac {partial ^{2}(A(x,y))}{partial y^{2}}}=0}$

Теперь решение, замененное на уравнение Гельмгольца, следует,

${displaystyle left[{frac {partial ^{2}}{partial x^{2}}}+k_{0}^{2}(n^{2}-u ^{2})ight]A(x,y)=pm 2jk_{0}u {frac {partial A_{k}(x,y)}{partial y}}}$

Чтобы рассчитать поле во всех точках пространства на все времена, нам нужно только вычислить функцию${displaystyle A(x,y)}$ на все пространство, и тогда мы сможем реконструировать ${displaystyle psi (x,y)}$. Поскольку решение предназначено для гармонического по времени уравнения Гельмгольца, нам нужно рассчитать его только за один период времени. Мы можем визуализировать поля вдоль направления распространения или поперечные волноводные моды.

Численные методы

Обе пространственная область методы и частотная (спектральная) область доступны методы численного решения дискретного задающего уравнения. При дискретизации в сетку (с использованием различных централизованная разница, Кривошипный метод Николсона, FFT-BPM и т. Д.) И значения поля, переставленные причинным образом, эволюция поля вычисляется с помощью итераций вдоль направления распространения. Метод пространственной области вычисляет поле на следующем шаге (в направлении распространения) путем решения линейного уравнения, тогда как методы спектральной области используют мощные прямые / обратные DFT алгоритмы. У методов спектральной области есть преимущество стабильности даже при наличии нелинейности (от показателя преломления или свойств среды), тогда как методы пространственной области могут стать численно нестабильными.

Приложения

BPM - это быстрый и простой метод решения полей в интегрированных оптических устройствах. Обычно он используется только для решения проблем интенсивности и мод внутри профильных (изогнутых, сужающихся, концевых) волноводных структур, в отличие от задач рассеяния. Эти структуры обычно состоят из изотропный оптические материалы, но BPM также был расширен, чтобы его можно было применять для моделирования распространения света в целом анизотропный материалы, такие как жидкие кристаллы. Это позволяет анализировать^{[постоянная мертвая ссылка ]} например вращение поляризации света в анизотропных материалах, возможность настройки направленного ответвителя на основе жидких кристаллов или дифракция света в пикселях ЖК-дисплея.

Ограничения BPM

Метод распространения луча основан на приближение медленно меняющейся огибающей, и неточен для моделирования дискретно или быстро меняющихся структур. Базовые реализации также неточны для моделирования структур, в которых свет распространяется в большом диапазоне углов, и для устройств с высоким контрастом показателя преломления, которые обычно встречаются, например, в кремниевая фотоника. Однако передовые реализации смягчают некоторые из этих ограничений, позволяя использовать BPM для точного моделирования многих из этих случаев, включая многие кремниевые фотонные структуры.

Метод BPM можно использовать для моделирования двунаправленного распространения, но отражения необходимо реализовывать итеративно, что может привести к проблемам сходимости.

Реализации

Есть несколько инструментов моделирования, реализующих алгоритмы BPM. Популярные коммерческие инструменты были разработаны RSoft Design и Optiwave Systems Inc..

Смотрите также

• Посмотрите и послушайте лекцию 16 о BPM
• Вычислительная электромагнетизм
• Метод конечных разностей во временной области
• Расширение собственных мод
• Метод конечных элементов
• Уравнения Максвелла
• Метод линий
• Свет
• Фотон
• Постер лаборатории ЭМ по методу распространения луча

Рекомендации

1. Клиффорд Р. Поллок, Михал. Липсон (2003), Интегрированная фотоника, Спрингер, ISBN  978-1-4020-7635-0
2. Окамото К. Основы оптических волноводов, 2000 г. (Сан-Диего, Калифорния: академический)
3. EE290F: слайды курса BPM, Деванг Парекх, Университет Беркли, Калифорния