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OptiMode矢量有限元法的精度和优势
时间:2017-02-08 15:54来源:讯技光电作者: 技术部点击:打印
应用 
 
硅光子学
波导设计
长距离等离子体激元
空心光纤
亚波长光学
弯曲波导
 
综述
 
由于光学系统向集成化方向发展,因此高折射率对比度以及亚波长尺寸波导的建模变得越来越重要。这些属性需要一个模态求解器,既能够真实地进行几何近似,也可以进行电场的近似。波导尺寸与感兴趣的电磁场区域可能有几个数量级的差别,如长距离等离子体激元。
 
高对比折射率光纤
 

优势
 
矢量有限元法速度非常快,而且精度高。
全矢量公式化各向异性模式求解器。
能够使用5阶插值混合向量/节点元素,以去掉伪解并极大的增加精度。
可利用布局的对称性降低仿真域尺寸。
单轴完全匹配层(UPML)可以用来找到遗漏的模式。
三角网格大小可调整以精确近似电磁场和波导的几何结构。
模态指数评估可提高速度,还可以用来搜索特定的光学模式。
采用变换光学精确地计算弯曲波导的模式,,即使是一个很小的曲率半径。
 
仿真描述
 
在矢量有限元法与其他模式求解器进行对比之前,应对不同的阶基础函数的准确性进行了测试。最简单的波导是均匀电介质加载微波波导。纤芯是一个简单电解质,包层被视为一个完美的电导体,代表一个矩形金属墙。
下面的图标中显示了VFEM结果和解析结果间的相对百分比误差。误差根据有限元网格中自由度结果的方程进行绘制。
 
图1:VFEM计算的平均误差
 
前5个模式的误差为平均值,如图1中所绘制。其清晰表明,对于一个恒定的传播,增加基础方程的级次可以获得更高精度的结果。在X=400时,增加基础方程的级次,等于近乎提高数量级高度的精度。此处应该指出的是,最大平均误差仅为0.3%。
对一个纤芯折射率1.5和包层折射率为1.0的高对比光纤,对比使用不同方法的模态求解器。尽管在SOI波导中可能不算是高对比度,但对于我们来说对比度已足够大了。波导的横截面显示在反面。
 
表1:利用多种模态求解器计算的模折射率。包含了模折射率的平均误差
 
上面的表格显示了对于前六光纤矢量模式计算的模折射率。将一个光纤矢量求解器作为基准,并标签为“Exact”。此外,ADI、FD和FEM求解也都用于计算光纤模态。其中FEM分为两组:第一组使用1阶元素,第二组使用3阶元素。但在表格中没有给出各求解器所花费时间。其中,FEM计算时间与FD的计算时间大概一致,(FD耗时~109秒,FEM耗时~65秒)。
 
表格充分说明了FEM模态求解器的优势和ADI的不足。ADI方法计算速度快,但是寻找较高精度高阶模态比较困难,而且其精度随波导对比度提高而降低。FD法优于ADI,但精度最好的是FEM法。这并不仅对于光纤模态,对于矩形和任意形状波导也同样适用。
 
有限元求解器如此精确的主要原因之一是其近似几何体的方式。ADI和FD采用小矩形进行折射率采样,这导致了对角线或曲线的阶梯式近似。理论上,矩形晶元可以缩小至阶梯式以进行一个很好的近似,但在实践中它仍然会导致相当大的误差。有限元求解器使用三角形网格可以近似对角线到一个高精度水平,并可以提供足够少的三角来近似曲线。
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