波方程的化簡和求解
出處:彭本堅(jiān) 發(fā)布于:2008-12-02 14:34:14
在這一部分,我們利用簡單的平板光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)來化簡波方程。我們將利用偏振的m模(只在艿方向存在電場)來求解波方程。TM模(只在y方向存在電場)的求解過程與之類似。
將式(4-53)在笛卡兒坐標(biāo)系下展開,可以得到
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因?yàn)閷τ赥EM波來說,其電場與磁場是正交的,所以選擇合適的坐標(biāo)軸可以簡化數(shù)學(xué)運(yùn)算。TB模的電場只存在于艿方向,并且在豸方向均勻分布,且平板光波導(dǎo)在石方向被認(rèn)為是無限的。我們限制光波沿著z方向傳播,則式(4-56)可以化簡為

這意味著矢量波方程化簡為標(biāo)量波方程。將式(4-57)代入式(4-53),可以得到

因?yàn)樵谲捣较蛑淮嬖陔妶?,我們可以將場方程寫?/FONT>

這意味著電場在豸方向偏振,在y方向有變化(我們下面再研究),沿著z方向以傳播常數(shù)卩進(jìn)行傳播,同時(shí)隨時(shí)間還具有召jα的正弦變化。
將式(4-59)對z取二次微分得到

同樣,將式(4-59)對t取二次微分得到

注意,這里n和ky被加上下標(biāo)j,當(dāng)j分別等于1、2、3的時(shí)候,則依次代表上包層、芯層、下包層。
這樣,我們?yōu)榱饲蠼夤獠▽?dǎo)模式,就要分別在上包層、芯層、下包層三種媒質(zhì)中求解特征值方程,并應(yīng)用邊界條件來確定解。方程解具有式(4-59)的形式,即

邊界條件是電場E及其微分形式DE/Dy在邊界處連續(xù)。這樣由于電場的連續(xù)性,我們用式(4-69)~式(4-71)在邊界y=±h/2處求解,由式(4-69)和式(4-70)在邊界y=(h/2)處可得

應(yīng)用邊界條件來決定電場在y方向的變化,在上包層,我們得到
至此,為了保留一般性,我們用指數(shù)形式(代表正弦波和余弦波函數(shù))來描述光波導(dǎo)芯層的場分布,為了將芯層的模場可視化,我們用正弦或余弦形式來描述更為方便。余弦函數(shù)表示的模式代表偶階模,因?yàn)橛嘞液瘮?shù)是偶函數(shù);同樣,正弦函數(shù)表示的模式代表奇階模, 因?yàn)檎液瘮?shù)是奇函數(shù);因?yàn)榛J桥茧A模,我們用余弦函數(shù)表示。對奇階模的處理方法也基本相同。這樣,我們將式(4-72)的右邊化為余弦形式,寫成

現(xiàn)在對于Eu有兩個(gè)表達(dá)式,式(4-73)和式(4-76);對于馬也有兩個(gè)表達(dá)式,和式(4-77),分別令凡和馬的兩個(gè)表達(dá)式相等并求解,得到

在考慮模場形狀之前,我們再來分析一下傳播常數(shù)丸。在求解波方程的過程中,我們在上包層、芯層、下包層中均利用傳播常數(shù)來定場解,但是并沒有說明為什么;下面再來考慮一下式(4-66)和式(4-67),它們分別為

在上包層、芯層、下包層中庀y分別取不同的形式。在包層中ky取實(shí)數(shù),而在芯層中ky,取虛數(shù);這在數(shù)學(xué)上對應(yīng)著β大于或小于konj,的情況。我們知道ej代表正弦或余弦形式的傳輸場,而e-相應(yīng)于指數(shù)衰減的場。虛傳播常數(shù)在包層中也是波方程的解,代表模場沿y方向深入到包層,不對應(yīng)全內(nèi)反射,這種情況我們將其忽略,即不認(rèn)為這是模場的解。
這樣我們對平板光波導(dǎo)的模場就有了更進(jìn)一步的了解:模場并不是完全限制在芯層中傳播的,而是要穿透包層一定的深度,這個(gè)深度由包層中的衰減常數(shù)(即包層中的傳播常數(shù))決定;這樣,當(dāng)電場場向前傳播的時(shí)候,部分場分布在包層中傳播。
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