Photonics – Chinese

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Ansys Insight: 有关TE、TM偏振以及模式光源的问题

    • Guilin Sun
      Ansys Employee

      在教科书、参考文献上,经常看到TE模式TM模式。在模式光源中,不管是FDTD 或者 MODE 的 varFDTD也需要知道模式的特性。

      大家可能知道,TE模式TM模式分别是Transverse electric modes (横电模式)和Transverse magnetic modes(横磁模式)的简写,其实还有Transverse electromagnetic (TEM) modes和Hybrid modes( HE or EH modes),最初是微波领域使用的名字。不过,光学波导器件常用TE模式TM模式以及混合模式。严格地说,TE横电模式指电场没有纵向分量,而TM横磁模式指磁场没有纵向分量,这种情况只能在金属波导中出现。在过去弱光学波导情况下,教科书近似使用上述定义,以便对一些简单波导给出一些近似的解析结果。然而,在现代光波导器件中,几乎全部都是混合模式,或者称之为 quasi-TE(准TE模式)和quasi-TM(准TM模式),多数情况下都简称为TE模式和TM模式。 要知道到底是TE模式还是TM模式,需要查看其电场的主分量(即振幅最大的分量),当然,前提是坐标系相同。有些特殊的波导,可能是传播方向的分量最大,但是不能以它来命名,因为我们说的是垂直于传播方向的分量,即横向分量。

      然而,由于不同领域和不同的习惯,模式的命名可能不同,甚至TETM的定义也可能不同。所以,为了减少混淆,建议大家一定要查看文献用的是什么方向的主分量,例如如果Ey是主分量,在我们软件中就找相应的模式,而不要局限在其名称上。我在评审论文时,一般都要求作者明确指出是什么主分量,大家在写文章时,不仅用TE模式TM模式,也应该给出主分量。

      不管是FDTD 或者 MODE 的 varFDTD和EME,涉及模式时,内嵌的计算引擎都是FDE模式求解器。

      对于平面波,建议大家用XYZ偏振。 例如,如果光沿Z轴传播,平面波可以是X偏振(E的方向)、Y偏振,根据我们的定义,前者的偏振角为零,后者偏振角要设置为90度;如果偏振角为任意角度,那就是常见的线偏振,电场的方向就会在xy平面,一般很少用。

      另外, 对于2D 仿真,FDTD可以定义TE和TM(XY 平面,传播或者沿X或者沿Y):

      而FDE中假设波导沿Z轴,可以看某横向分量所占的比例:

      如果沿X或者Y:
    • Guilin Sun
      Ansys Employee

       

      是不是有不同的TE、TM定义,看Lumerical 官网不同Article就清楚了。上面是FDTD Solver Physics 介绍的定义:https://support.lumerical.com/hc/en-us/articles/360034914633-FDTD-solver

      再看Stack函数Article:
      https://support.lumerical.com/hc/en-us/articles/360034914653-Stack-optical-solver-overview
      TE是E垂直于纸面,因此H(B) 有两个分量。按FDTD中的定义应该是TM;
      而TM是H(B) 垂直于纸面,E有两个分量。 按FDTD中的定义应该是TE。
      因此,文献中说TE、TM一定要搞清楚是哪一种定义。

      波导中的模式也有类似情况,因为现在的微纳光学波导不是金属波导,也不是弱波导,E和H可能都有两个横向分量(数值可能比较小,也可能比较大),因此在FDE中给出了TE polarization fraction (Ex) 和 waveguide TE/TM fraction (%) 两个参数:

       

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