Математическое моделирование распространения света в оптических микроструктурах

• Автор: Вознесенская, Наталья Николаевна
• Шифр специальности: 05.11.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 123 с. : ил.

Введение. Актуальность работы постановка цели и задач работы
Глава 1. Обзор существующих численных методов расчета волноводных
оптических устройств и планарных схем
1.1 .Лучевой метод
1.2.Волновые методы
1.2.1. ВРМ и РШТ) методы
1.2.2. Метод конечных разностей
1.2.3. Метод конечных элементов
1.2.4. Метод матрицы линий передачи
1.2.5. Метод интегральных уравнений
1.2.6. Метод расчета в спектральной области
1.2.7. Эквивалентная волноводная модель
1.2.8. Модель планарной схемы
1.3.Ограничения применимости лучевых и волновых методов
Глава 2. Разработка математической модели и численного алгоритма для реализации метода плоских доменов
2.1. Математический аппарат МПД
2.2. Принцип численной реализации и алгоритм МПД
Глава 3. Расчет распространения света в оптических межсоединениях методом МПД
3.1. Соединение двух оптических волокон
3.2. Соединение оптического волокна с канальным волноводом
Глава 4. Модифицированный метод МПД для расчета эффективности дифракционных оптических элементов
4.1. Описание модели (ДОЭ)
4.2. Расчет дифракционной эффективности ДОЭ
4.3. Сопоставление расчетов методом МПД с расчетами методом РТ13
Заключение
Литература

Введение. Актуальность работы, постановка цели и задач работы.
Уровень современной цивилизации определяется объемом передаваемой и перерабатываемой информации. XXI век становится веком всеобъемлющей информатизации общества. Это уже сейчас подтверждается бурным развитием информационных технологий, созданием глобальных сетей связи и телекоммуникаций, становлением и развитием всемирной компьютерной сети 1Шегпе1:, обусловившей взрывной рост спроса на объемы передаваемой информации [1].
Прогресс, достигнутый в производстве оптических волокон с малыми потерями, уже сейчас позволяет передавать информацию со скоростями в сотни Гбит/с на расстояния в сотни километров без регенерации сигнала. Относительная дешевизна массового производства волоконно-оптического кабеля приводит к возрастающему вытеснению спутниковой связи волоконно-оптической даже на рынке межконтинентальных телекоммуникаций. Серьезными аргументами в пользу волоконно-оптических систем являются также высокая помехозащищенность и электромагнитная совместимость каналов связи, скрытность предаваемой по ним информации [1,8].
Помимо систем связи волоконная оптика находит широкое применение в измерительных приборах и системах. Очень перспективны в настоящее время волоконно-оптические датчики, которые, не уступая традиционным датчикам в чувствительности, имеют ряд существенных преимуществ, таких как высокая устойчивость к воздействию внешних факторов, помехозащищенность, малый вес и габариты, экономичность [4-8]. Только в США разработкой и выпуском волоконно-оптических датчиков занимается более 100 фирм.
В последние годы созданы и продолжают активно разрабатываться волоконно-оптические лазеры и усилители света, которые открывают

возможности создания уникальных, полностью оптических информационных систем, включающих в себя оптический компьютер с огромным быстродействием, волоконно-оптические сенсоры. Компьютер подключается к внешним волоконным линиям связи также с помощью оптических волокон. Фактически речь идет о переходе от электронной обработки информации к оптической. По масштабам эта технологическая революция будет сравнима с переходом от письма к радио и телевещанию [9-27].
Актуальность работы
Непрерывный технологический прогресс требует разработки адекватных современных методов анализа микро- и наноразмерных структур, а также совершенствования существующих методов контроля. Одним из главных направлений в этой области является разработка узлов эффективной передачи оптического сигнала между различными компонентами оптических цепей и отдельными системами. Применение новых волноводных элементов с включением микрооптических структур представляет интерес в проектировании и создании новых так называемых гибридных оптических устройств, использующих волоконно-оптические системы связи, канальные и планарные волноводы, а в перспективе фотонные чипы и фотонные кристаллы. Для гибридных оптических устройств (ГОУ), впрочем, как и интегральных схем, наиболее важной остается проблема оптических межсоединений (ОМ) — передачи оптического сигнала между отдельными компонентами с наибольшей эффективностью.
В настоящее время, для расчета прохождения излучения через оптические узлы интегральных схем сложной конфигурации используются лучевые и волновые методы. Хорошо известны два метода расчета волноводных устройств - это метод ВРМ (Beam Propagation method - метод распространения пучков), и метод FDTD (метод конечных элементов с разделением по времени). Но, к сожалению, эти методы имеют свои недостатки, которые существенно ограничивают возможности их применения. Это с одной стороны малая универсальность, а с другой

меньше расстояние между плоскостями, т.е., чем меньше толщина слоя, тем более плавной будет картина распределения поля.
Обобщенная блок схема программы для компьютерного моделирования МДП представлена на рис. 2
Рис.2.3. Обобщенная блок-схема алгоритма метода МПД