光纤仿真相关求解——光纤芯层和包层电磁场分布求解

要求解光纤中的电磁场分布,就要构建合适的物理模型

将光纤假设为圆柱状的波导,求解满足均匀原型介质波导边界条件的麦克斯韦方程组,即可

z分量的亥姆霍兹方程为:

\Delta^2 E_z+K_0^2 n^2 E_z=0

\Delta^2 H_z+K_0^2 n^2 H_z=0

对应在圆柱坐标系下为:

\frac{\partial ^2 E_z}{\partial r^2 }+\frac{1}{r}\frac{\partial Ez}{\partial r}+\frac{1}{r^2}\frac{ \partial^2 E_z}{\partial \varphi ^2}+\frac{\partial^2 E_z}{\partial z^2}+k_0^2 n^2 E_z=0

\frac{\partial ^2 H_z}{\partial r^2 }+\frac{1}{r}\frac{\partial Hz}{\partial r}+\frac{1}{r^2}\frac{ \partial^2 H_z}{\partial \varphi ^2}+\frac{\partial^2 H_z}{\partial z^2}+k_0^2 n^2 H_z=0

用分离变量法求解Ez:

E_z=R(r)\Phi (\phi)Z(z)

其中R(r)满足的方程可以表示为:

\frac{d^2 R(r)}{dr^2} +\frac{ 1}{r} \frac{dR(r)}{dr} +[(k_0^2 n_1^2-\beta ^2 )-\frac{m^2}{r^2}]R(r)=0, r\le a

\frac{d^2 R(r)}{dr^2} +\frac{ 1}{r} \frac{dR(r)}{dr} +[(k_0^2 n_2^2-\beta ^2 )-\frac{m^2}{r^2}]R(r)=0, r\le a

这就是贝塞尔方程。在MATLAB基础操作专栏,有用MATLAB求解贝塞尔方程的方法。

MATLAB仿真贝塞尔函数_matlab练习生的博客-CSDN博客

调用可得到:

光纤仿真相关求解——光纤芯层和包层电磁场分布求解_第1张图片

这就是第一类贝塞尔函数的曲线

通过MATLAB求解贝塞尔方程的零点,就是上述方程的解

1阶贝塞尔函数:

光纤仿真相关求解——光纤芯层和包层电磁场分布求解_第2张图片

 光纤的芯层区域对应第一类贝塞尔函数,包层区域则对应第二类贝塞尔函数:

光纤仿真相关求解——光纤芯层和包层电磁场分布求解_第3张图片

事实上,上述方程可以用贝塞尔函数解得:

光纤仿真相关求解——光纤芯层和包层电磁场分布求解_第4张图片

光纤仿真相关求解——光纤芯层和包层电磁场分布求解_第5张图片

 带入电场的表达式有:

根据边界条件,电场的切向分量在归一化半径坐标Ra=1处应当是连续的,可以解出:

光纤仿真相关求解——光纤芯层和包层电磁场分布求解_第6张图片

磁场的z分量可以表示为:

光纤仿真相关求解——光纤芯层和包层电磁场分布求解_第7张图片

根据麦克斯韦方程组解出的各个分量之间的关系,我们可以将电磁场表示出来,

分成芯层和包层两类:

光纤仿真相关求解——光纤芯层和包层电磁场分布求解_第8张图片

根据实际的物理意义可知,当能够形成导波时,要求UW是正实数,有:

W^2 > 0
U^2 > 0

解得:

k_0n_2<\beta<k_0n_1

参考《高等光学仿真——光波导、激光》

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