有限差分算法在导波模式可视化教学中的应用

发布时间：2021-07-17 19:17

　　为了加强学生对导波模式的理解,提高教学质量,利用有限差分法分析了平板介质波导中的模场分布,并将计算结果可视化.将电磁场与电磁波中的抽象的公式化结论转化成图像视觉描述,不仅可以丰富教学内容,而且可以帮助学生直观地分析与理解抽象的概念和规律,从而提高课程的教学效果. 

【文章来源】：菏泽学院学报. 2020,42(05)

【文章页数】：7 页

【部分图文】：

波导结构

根据分析结果，在图2和图3中分别绘制出来的E模和H模场的分布．图2中的mode1至mode4分别对应导模TE0至TE3，图3中的mode1至mode4分别对应导模TM0至TM3，各模式等效折射率如图中所示．图中非常直观的表明电磁场的横向分布具有对称性或反对称性，这源于介电常数是对称分布的．电磁场幅值在波导芯层中呈现为余弦或正弦分布，而在芯层两侧的包层中具有指数衰减的形式，随着远离芯层，幅值趋近于零．包层中这种指数衰减的场称为倏逝场．倏逝场衰减的快慢取决于电磁波在波导包层中的波矢的横向分量，该分量越大，倏逝场衰减的就越快．该分量取决于等效折射率，等效折射率越小，该分量就越小．图2和图3清晰的表明了这种规律，可以看到，随着模式等效折射率的减小，倏逝场在包层中的穿透深度越来愈大，这也说明高阶模式有更多的能量泄漏到包层中．图2与图3中mode5的等效折射率小于包层的折射率，模式曲线在芯层中不再是余弦或正弦分布，其物理含义是电磁场能量不再被限制在波导芯层中．这些模式的能量通过芯层与包层的界面辐射到包层中去了，该模式被称作辐射模．上述结论与实际结果吻合．图示结果形象的表明了导模和辐射模的特征，其中导波横向模场是以驻波的形式存在的，而辐射模则没有，这种规律的直观性是公式所不能给予的．图3 H模式模场分布

H模式模场分布

【参考文献】：
期刊论文
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本文编号：3288776