專利名稱：用于對(duì)光學(xué)的多模波導(dǎo)的傳播性能進(jìn)行模擬的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通過(guò)射束跟蹤(ray tracing)來(lái)確定多模的射出的光學(xué)波導(dǎo)的傳 播性能的方法。
背景技術(shù)：
為計(jì)算介質(zhì)的通道波導(dǎo)尤其光導(dǎo)體中的射束傳播，以往提供波光學(xué)的分析方法，
如有限元(FEM)的方法或者"光束傳播方法"(BPM)。但是這些方法只能在僅僅應(yīng)該考慮一
種或者少數(shù)幾種模式并且波導(dǎo)的橫截面相對(duì)于光學(xué)的波長(zhǎng)不太大時(shí)有效地使用。 相反，對(duì)于多模的階躍折射率波導(dǎo)或者梯度折射率波導(dǎo)來(lái)說(shuō)，橫截面比所使用的
射束的波長(zhǎng)大得多，對(duì)于這樣的折射率波導(dǎo)來(lái)說(shuō)可以在幾何光學(xué)的基礎(chǔ)上有效地進(jìn)行射束
足艮S宗。 在此(在模擬中)將大量具有預(yù)先設(shè)定的方向和極化強(qiáng)度的射束輸入到波導(dǎo) 中。該波導(dǎo)要么在其端部上射出要么在光學(xué)通道的壁體上也就是說(shuō)在折射率階躍的界 面上折射。這些方法比如由Th. Bierhoff、 A. Himmler、 E. Griese禾口 G. Mrozynski在威尼 斯(意大利)舉行的第五次關(guān)于相互連接點(diǎn)上的信號(hào)傳播(SPI' 01)的國(guó)際IEEE研討 會(huì)的會(huì)干U上發(fā)表的論文〃 3D_rendering technique to model arbitrary sh即edboard integrated optical step index waveguides using cubic splineinterploation〃中得 到說(shuō)明。在Shaker出版社2006年出版的書(shū)號(hào)為ISBN3-8322-5801-9的Th. Bierhoff的論 文"Strahenoptische Analyse derWellenausbreit皿g皿d Modenkoppl皿g in optisch hoch multimodalenWellenleitern，，中可以找至U詳細(xì)的描述。 這樣的射束走向的有效計(jì)算對(duì)于開(kāi)發(fā)輔助工具的制造來(lái)說(shuō)是必要的，利用所述開(kāi) 發(fā)輔助工具開(kāi)發(fā)工程師可以通過(guò)模擬來(lái)檢查草案并且比如可以用在DE 199 48 378 CI中 所說(shuō)明的裝置將試樣與模擬進(jìn)行比較。 在公開(kāi)文獻(xiàn)DE 103 34 107 Al中說(shuō)明了一種相對(duì)于上面提到的發(fā)表的論文得到
改進(jìn)的方法，該方法允許通過(guò)能夠以分析方法來(lái)描述的分段的疊加在斷斷續(xù)續(xù)的多模塊的
通道波導(dǎo)中進(jìn)行射束跟蹤。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是，可以有效地計(jì)算如其在光導(dǎo)體的耦合處出
現(xiàn)的一樣的非常復(fù)雜的三維圖像。但是實(shí)踐已經(jīng)表明，仍然不可能令人滿意地有效地來(lái)為
比如埋入印制電路板中的大多數(shù)相對(duì)于厚度很長(zhǎng)的光學(xué)波導(dǎo)進(jìn)行計(jì)算。 在1997年7月應(yīng)用光學(xué)第36巻第21號(hào)的D. Israel、R. Baets、M. J. Goodwin等人
的論文"Multimode polymeric Y junctions for starcouplers in backplane optical
interco皿ect"中使用了射束跟蹤，用于確定Y分支的功率數(shù)據(jù)。在此使用用于漸近算法的
2D計(jì)算。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的任務(wù)是，尤其為像分支和鏡面一樣的復(fù)雜結(jié)構(gòu)改進(jìn)開(kāi)頭所述類型的光學(xué) 波導(dǎo)中的傳播特性的計(jì)算的效率和精度。
本發(fā)明為具有矩形橫截面的波導(dǎo)解決該任務(wù)。在此利用這一點(diǎn)，即對(duì)于這類問(wèn)題 來(lái)說(shuō)可以將波導(dǎo)視為一個(gè)基區(qū)的線性的射出跡線。在此利用這樣的認(rèn)識(shí)，即在這種情況下 每條試樣射束的在基區(qū)上的投影都和在那里作為二維問(wèn)題遵從反射法則的走向相同。由此 可以顯著地簡(jiǎn)化開(kāi)銷，方法是在一個(gè)第一步驟中計(jì)算用于二維情況的射束走向并且而后將 其擴(kuò)展到三維情況。處理的方法是，從在第一步驟中計(jì)算的投影的走向中確定一條多邊形 導(dǎo)線，該多邊形導(dǎo)線在拆分考慮的情況下又代表著一條二維通道，在該二維通道中可以比 在三維情況下更為簡(jiǎn)單地計(jì)算反射。在簡(jiǎn)單的情況下僅僅需要試樣射束的長(zhǎng)度和出射方向 (或者說(shuō)由于未進(jìn)行全反射而引起的損失)；在這種情況下根本不需要明確地計(jì)算三維的 射束走向。因?yàn)榇送獠粌H已經(jīng)存在著行程長(zhǎng)度而且同時(shí)已經(jīng)存在著反射的數(shù)目，所以也可 以對(duì)通過(guò)不完全的全反射引起的衰減加以考慮。


下面借助于一種實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說(shuō)明。其中附圖如下 圖1是示范性的通道波導(dǎo)的空間視圖， 圖2是在所謂的基區(qū)中的投影， 圖3是三種在基區(qū)中所計(jì)算的不同的射束走向， 圖4是用于一條在計(jì)算之后在基區(qū)中產(chǎn)生的多邊形導(dǎo)線的實(shí)例， 圖5a和5b是所計(jì)算的示范性的在基區(qū)中和在3維空間中的射束走向。
具體實(shí)施例方式
圖1示范性地繪出了一個(gè)通道波導(dǎo)的空間簡(jiǎn)圖，借助于該通道波導(dǎo)來(lái)描述本發(fā)明 的一種實(shí)施方式的以下說(shuō)明情況。在此涉及一個(gè)已經(jīng)比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)不僅部分地 用彎曲的區(qū)域鑲邊，而且也包含波導(dǎo)分度。為確定傳播特性，要使用x-y平面中的分段ftl 的處于圖左邊的用E表示的區(qū)域，并且相應(yīng)地為射束出射使用x-y平面中的分段#3. 22和 #3. 12的兩個(gè)右邊的用A1和A2表示的區(qū)域。其余的區(qū)域假設(shè)為邊緣區(qū)域，所述邊緣區(qū)域只 要入射角度足夠平坦就通過(guò)折射率階躍引起全反射。通道波導(dǎo)可以被視為通過(guò)沿x軸的射 出來(lái)產(chǎn)生的波導(dǎo)。 圖2示出了通道波導(dǎo)在y-z平面中的投影。這個(gè)二維的區(qū)域下面稱為基區(qū)，其沿 x方向的射出產(chǎn)生通道波導(dǎo)。這里也通過(guò)劃出的虛線示出y-z-軌跡，該虛線表示通道波導(dǎo) 的宏觀的走向。通常工程師在工作站預(yù)先設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)的寬度和高度并且由此預(yù)先設(shè)定橫截面 (x-y-平面)并且作為軌跡預(yù)先設(shè)定走向，應(yīng)該沿該軌跡來(lái)射出所述橫截面。如果需要分支 及類似安排，那就考慮通道波導(dǎo)必要時(shí)由合適的分段組成。這是常見(jiàn)的在圖1中為一目了 然起見(jiàn)而示出的示意圖。對(duì)于本發(fā)明的運(yùn)用來(lái)說(shuō)，僅僅所述基區(qū)的邊緣是重要的。這些邊 緣從作為線條元素的曲線曲率產(chǎn)生的軌跡中通過(guò)相應(yīng)地沿y方向移動(dòng)一半寬度并且確定 交點(diǎn)這樣的方法來(lái)計(jì)算。 在確定基區(qū)之后，為落到入射區(qū)域上的試樣射束確定在所述基區(qū)的平面中的投 影，使得該投影入射在所述基區(qū)的左邊的邊緣E上。在媒介過(guò)渡帶(MedienUbergang)上進(jìn) 行相應(yīng)的折射之后產(chǎn)生射束，該射束的走向根據(jù)幾何光學(xué)的規(guī)則如在圖3中為三種實(shí)例示 出的一樣(通過(guò)用于說(shuō)明問(wèn)題的跡線)來(lái)計(jì)算。按入射角度和位置的情況，入射的射束要么到達(dá)第一出口 Al要么到達(dá)第二出口 A2要么失去(射束3)，因?yàn)槿肷涞奖隗w上的入射角 不足以進(jìn)行全反射。全反射確定最大的入射角，根據(jù)入射角可以確定發(fā)射機(jī)，以便產(chǎn)生的損 失盡可能地小。 現(xiàn)在在基區(qū)中確定試樣射束的三維的走向的投影之后，以和所述基區(qū)相同的 方式來(lái)射出該跡線。這一點(diǎn)在圖4中示出，其中為一目了然起見(jiàn)在沒(méi)有援引圖3的情 況下僅僅示出了一個(gè)截取部分。因?yàn)樗鲔E線由直線線段相挨著排列而成，所以所述 射出跡線是一個(gè)多邊形序列即分別通過(guò)一條共同的邊緣彼此相連接的矩形的相挨排列 (Aneinanderreihimg)。因?yàn)樗錾涑鲔E線垂直于所述基區(qū)，所以所述邊緣垂直于該基區(qū)。 因此可以計(jì)算每個(gè)矩形的走向并且在從一個(gè)矩形轉(zhuǎn)移到下一個(gè)矩形時(shí)將其接收作為輸入 角的入射角。 但是因?yàn)樗龆噙呅涡蛄锌梢灶愃朴谶B續(xù)折疊式打印紙拉開(kāi)并且轉(zhuǎn)化為一個(gè)唯 一的矩形，所以又可以將射束走向作為簡(jiǎn)單的二維的問(wèn)題來(lái)解決。此外，僅僅必須在基區(qū)中 確定跡線的長(zhǎng)度。為進(jìn)一步確定射束走向，而后使用一個(gè)唯一的具有波導(dǎo)的高度和試樣射 束的算得的長(zhǎng)度的矩形。從入射的射束在多邊形導(dǎo)線的第一矩形上的投影中計(jì)算起始角， 該起始角確定進(jìn)一步的走向。 在圖5a中示出了兩條其它的試樣射束，在基區(qū)中計(jì)算了其走向。在圖5b中示出 了相應(yīng)的空間走向；由于稍許不同的射束長(zhǎng)度，盡管在基區(qū)中的走向相類似但在3D空間中 產(chǎn)生不同的走向。但是，在多數(shù)情況下根本不需要3D走向，而僅僅需要反射角并且必要時(shí) 需要反射的次數(shù)，反射的次數(shù)是指在基區(qū)和相應(yīng)于所射出的多邊形導(dǎo)線的矩形中的反射的 總和。確定傳播時(shí)間并且由此確定相位關(guān)系的行程與相應(yīng)于多邊形導(dǎo)線的矩形上的行程相 等，并且由此可以在不計(jì)算的情況下在3D空間中精確地求得；在此不使用漸近算法。即使 需要3D走向，這里的方法也代表著模擬過(guò)程的顯著加速。
權(quán)利要求
用于通過(guò)射束跟蹤借助于用幾何鏡組的器件產(chǎn)生的試樣射束的走向的計(jì)算來(lái)確定通道波導(dǎo)的光學(xué)性能的方法，其中首先作為曲線通過(guò)投影到一個(gè)二維的區(qū)域中的方式來(lái)確定走向，然后借助于所述曲線確定一個(gè)三維的區(qū)域，在該區(qū)域中作為基本上二維的問(wèn)題來(lái)確定三維的走向。
2. 按權(quán)利要求1所述的方法，其中所述通道波導(dǎo)能夠由基區(qū)的沿直線的射出來(lái)代表， 所述方法具有以下特征，將入射的射束投影到基區(qū)的平面中并且在那里作為基區(qū)中的跡線來(lái)確定所述試樣射 束的走向， 通過(guò)射出從所述跡線中確定由四邊形的區(qū)域構(gòu)成的多邊形導(dǎo)線，所述四邊形的區(qū)域 通過(guò)共同的邊緣形成一個(gè)序列，該序列以輸入?yún)^(qū)域?yàn)殚_(kāi)始并且在輸出區(qū)域中結(jié)束。 ，所述試樣射束的走向相應(yīng)地在所述區(qū)域內(nèi)部并且在共同的邊緣上確定。
3. 按權(quán)利要求1所述的方法，其中所述射出的直線垂直于基區(qū)，該方法具有以下特征 *將在通道波導(dǎo)的入射區(qū)域上折射之后產(chǎn)生的射束朝入射的射束投影到輸入?yún)^(qū)域上， ，在具有共同的邊緣的多邊形導(dǎo)線的一個(gè)第一及一個(gè)第二區(qū)域之間轉(zhuǎn)移時(shí)將入射到該邊緣上的角度用作用于第二多邊形的入射的角度并且確定在所述第二區(qū)域內(nèi)部的走向， 離開(kāi)輸出區(qū)域的射束作為關(guān)于出射區(qū)域的出射的射束來(lái)確定。
4. 按權(quán)利要求3所述的方法，其中不是直接地在多邊形導(dǎo)線中而是在二維的矩形的波 導(dǎo)中計(jì)算反射，所述多邊形導(dǎo)線的高度是波導(dǎo)的高度并且其寬度是在基區(qū)中確定的跡線的 長(zhǎng)度。
5. 用于通過(guò)模擬對(duì)具有矩形的橫截面的通道波導(dǎo)的傳播特性進(jìn)行評(píng)估的裝置，其中使用按前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法。
6. 按前一項(xiàng)權(quán)利要求所述的軟件產(chǎn)品。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于通過(guò)射束跟蹤借助于用幾何光學(xué)的器件產(chǎn)生的試樣射束的走向的計(jì)算來(lái)確定通道波導(dǎo)的光學(xué)性能的方法，其中首先作為曲線通過(guò)投影到一個(gè)二維的區(qū)域中的方式來(lái)確定走向，然后借助于所述曲線確定一個(gè)三維的區(qū)域，在該區(qū)域中作為基本上二維的問(wèn)題來(lái)確定所述三維的走向。此外本發(fā)明涉及用于利用所述方法的工作場(chǎng)所和軟件產(chǎn)品。
文檔編號(hào)G02B6/10GK101784925SQ200880023706
公開(kāi)日2010年7月21日 申請(qǐng)日期2008年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月6日
發(fā)明者H·-J·施拉奇, O·斯圖布, T·比爾霍夫 申請(qǐng)人:西門子公司