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[2019年电气与先进应用电磁学国际会议（ICEAA）- 西班牙格拉纳达（2019年9月9日-13日）] 2019年电气与先进应用电磁学国际会议（ICEAA）——利用超晶格特性设计矩形波导模式转换器
摘要： 我们通过详细的解析建模，探究了超表面光栅在矩形波导（RWG）TE10至TE20模式转换器设计中的潜力。此类转换器在功率合成器[1]和模分复用器等应用中具有重要意义。而超表面光栅作为可极化粒子（超原子）的周期性阵列，能通过定制结构自由度——将能量定向引导至目标Floquet-Bloch（FB）模式，同时利用相消干涉抑制非目标FB通道——高效操控电磁波前，适用于分束、异常反射折射等先进波束调控场景[2-3]。本文将该物理机制应用于RWG这一新型电磁系统以实现完美模式耦合。如图1(a)所示，设计方案由位于理想电导体（PEC）终端前方(x0,z0)位置的容性加载细导线构成：TE10模式从输入端口激励该导线。要实现TE10到TE20模式的单位效率耦合需满足两个条件：其一，通过导线激发的一阶FB模式与PEC反射TE10模式的干涉消除反向反射；其二，波导内任意z>z0平面通过的净实功率为零以保证无源无损设计[2]。通过将文献[3]解析模型扩展至RWG，可严格建立这些前提条件，进而半解析求解加载导线位置(x0,z0)与负载阻抗密度（印刷电容宽度）等可调参数。为验证该设计理念，我们在14GHz频段构建转换器——无需全波优化即实现97%以上的耦合效率。商业仿真软件（CST）验证结果[图1(b)(c)]与理论预测高度吻合。该方案为开发高效波导模式转换器提供了新途径，无需采用鳍线、E面/H面弯曲等复杂结构[1,4,5]。
关键词： 弗洛凯-布洛赫模式、超构光栅、TE10到TE20、矩形波导、模式转换器
更新于2025-09-12 10:27:22
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[2019年欧洲激光与电光会议暨欧洲量子电子学会议（CLEO/Europe-EQEC） - 德国慕尼黑（2019年6月23日-27日）] 2019年欧洲激光与电光会议暨欧洲量子电子学会议（CLEO/Europe-EQEC） - 基于耦合模理论研究光子晶体激光器的简易方法
摘要： 光子晶体（PhC）激光器作为片上及芯片间互连的高效光源备受关注。该结构能在保持高腔品质因数的同时缩减有源区体积，从而实现低阈值电流与低工作能耗[1,2]。传统研究方法多依赖时耗较长的FDTD仿真，且难以捕捉器件核心物理机制。本文提出一种基于耦合模理论的简化分析方法，该方法已被证实能有效研究具有周期性增益/折射率扰动（如标准DFB激光器）的激光系统。我们将此方法应用于光子晶体线缺陷波导激光器——通过引入相对于未泵浦参考波导的小幅复折射率扰动（涵盖增益与折射率变化[3]），将TE模导波光场展开为无源波导前向/后向布洛赫模之和，并建立扰动波导中布洛赫模演化的控制方程：(公式1，此处保留原数学表达式)。其中k11,q=0、k12,q=1及k21,q=-1为自耦合与交叉耦合系数（计算方法见文献[3]）。图1示例显示，在折射率扰动((δn/n)s)与正增益g0条件下，与标准DFB激光器不同，其交叉耦合系数始终与自耦合系数相当，这源于基模TE电场强z分量的特性。由于有源区孔洞中不存在的增益也构成周期性扰动，耦合系数具有增益依赖性；同时受慢光效应影响，这些系数随频率接近带边显著增大。因此，高频/高增益布洛赫模将承受更强的分布反馈效应?；诖四Ｐ停颐欠抡媪送?a所示激光腔结构（含泵浦有源区、低折射率后向无源镜，以及折射率等于（A型）、略高（B型）或略低（C型）有源区的前向无源缓冲层）。根据公式(1)计算的后向镜与缓冲层反射系数(S11)如图2a所示。通过求解满足rL(λ)·rR(λ,g0)=1的阈值条件（图2b），发现阈值增益随缓冲层周期数的变化趋势源于有源区与前向缓冲层分布反馈的相互作用：C型结构中缓冲层反馈占主导（较有源区增强近一倍），故阈值增益随前向反射增强而降低（类似FP激光器前镜反射增强效应）；而A/B型结构以有源区分布反馈为主导，阈值取决于有源区与缓冲层反射的干涉效应，其中B型呈现最小化阈值增益的最优周期数。
关键词： 耦合模理论、FDTD模拟、光子晶体激光器、分布反馈、布洛赫模式
更新于2025-09-12 10:27:22