亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        基于穩(wěn)態(tài)逼近算法的光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象研究

        2018-03-29 04:34:50李敏楊儉袁健華
        軟件 2017年8期
        關(guān)鍵詞:非線性迭代法有限元

        李敏 楊儉 袁健華

        摘要:光子晶體的雙穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象是光子晶體制作光限幅器和光開關(guān)的理論基礎(chǔ),研究具有低閾值的雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)對大規(guī)模集成光路具有非常重要的意義。本文采用有限元方法和穩(wěn)態(tài)算法對含有缺陷的一維光子晶體結(jié)構(gòu)中的雙穩(wěn)態(tài)效應(yīng)現(xiàn)象進(jìn)行了理論推導(dǎo)和數(shù)值分析。在頻域上,一維雙穩(wěn)態(tài)效應(yīng)問題可化為非線性亥姆霍茲方程的兩點(diǎn)邊值問題。本文基于非線性亥姆霍茲方程建立了有限元數(shù)學(xué)模型,構(gòu)造了基于有限元方法和穩(wěn)態(tài)迭代算法的數(shù)值求解算法。研究算例結(jié)果表明該數(shù)值算法能有效地模擬含有缺陷的一維光子晶體結(jié)構(gòu)中雙穩(wěn)態(tài)效應(yīng)現(xiàn)象,并能推廣到高維問題的研究。本文還利用該模型算法進(jìn)一步研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)對雙穩(wěn)態(tài)效應(yīng)的影響,當(dāng)選擇非線性強(qiáng)度大的材料,或者增強(qiáng)入射場強(qiáng)度,或增加中間層厚度時可以降低雙穩(wěn)態(tài)效應(yīng)發(fā)生的閾值。

        關(guān)鍵詞:光子晶體;雙穩(wěn)態(tài)效應(yīng);非線性;有限元;迭代法

        中圖分類號:029 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A DOI:10.3969/j.issn.l003-6970.2017.08.001

        0 引言

        上世紀(jì)80年代,E.Yablonovitch率先提出了光子晶體OPhotonicCrystal)的概念。光子晶體是指具有光子帶隙(PhotonicBand-Gap,簡稱為PBG)特性的人造周期性電介質(zhì)結(jié)構(gòu),有時也稱為PBG光子晶體結(jié)構(gòu)。光子晶體有著廣泛的應(yīng)用,利用其特性可制作光子晶體激光器、全向反射鏡、光子晶體波導(dǎo)和光纖、濾波器、發(fā)光二極管、光開關(guān)、光限制器、光子晶體激光器等。當(dāng)光子晶體中的周期結(jié)構(gòu)破壞時,我們稱其是帶有缺陷的。帶缺陷的非線性光子晶體會產(chǎn)生缺陷模和雙穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象。雙穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象的物理解釋是當(dāng)入射波進(jìn)入非線性光子晶體缺陷時,缺陷區(qū)域介質(zhì)的折射率受到影響進(jìn)一步影響到透射率。當(dāng)入射波頻率增大到某一數(shù)值時,透射率會迅速增大,跳躍到另一個值,之后又達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。另一方面,當(dāng)入射頻率減小到另一數(shù)值時,透射率又會迅速下降,之后又達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。但是兩個跳躍點(diǎn)的閾值不同,即對一給定頻率處在兩閾值點(diǎn)之間的電磁波,它的透射率存在兩個輸出值,該現(xiàn)象稱為雙穩(wěn)態(tài)效應(yīng)。光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)效應(yīng)在工程上最重要的一個應(yīng)用是光學(xué)雙穩(wěn)開關(guān)。光學(xué)雙穩(wěn)開關(guān)是一種具有反饋效應(yīng)的非線性光學(xué)器件,它的輸入一輸出特性不是單值的,而是一個回線,抗干擾能力強(qiáng)。因此在電子技術(shù)中,雙穩(wěn)態(tài)電子開關(guān)被廣泛的應(yīng)用。

        在頻域中,雙穩(wěn)態(tài)問題的求解可以表示為非線性亥姆霍茲方程的兩點(diǎn)邊界值問題(BVP),解決此類問題的數(shù)值模擬方法有很多。有限元法作為一種傳統(tǒng)方式,能夠在高精度下解決大型的復(fù)雜問題,而且容易推廣至高維。所以本文采用有限元法與ZhengfuXu和GangBao在文中提出的一種穩(wěn)態(tài)逼近的算法結(jié)合并對模型進(jìn)行求解。最后本文通過簡單算例研究了一些參數(shù)對雙穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象的影響,并對結(jié)果進(jìn)行了理論分析。

        1 光學(xué)雙穩(wěn)性理論推導(dǎo)

        1.1 一維模型問題

        我們討論如圖1所示的帶有缺陷的非線性光子晶體。結(jié)構(gòu)模型為,為缺陷層,層數(shù)材料的厚度分別為和顯然將該結(jié)構(gòu)放置于折射率為%的背景材料中,假定周期按軸方向排列且長度為,則當(dāng)和時,折射率為。

        麥克斯韋方程組可以刻畫宏觀電磁現(xiàn)象本質(zhì)規(guī)律。對于通常的時諧變場,微分形式的麥克斯韋方程組一般包含以下四個一階偏微分方程:

        上式中,方程組左邊的物理量及分別用以描述電磁場的性質(zhì),其中:為電場強(qiáng)度,伏特/為電位移(庫侖/平方米),為磁場強(qiáng)度(安培/米),為磁通量密度(韋伯/平方米).方程組的右邊為激勵電場的源項(xiàng),其中:為電流密度(安培/平方米),為電荷密度(庫侖/立方米).介質(zhì)的本構(gòu)關(guān)系反映了該類介質(zhì)的宏觀性質(zhì),通常由實(shí)驗(yàn)確定或者由介質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)推導(dǎo)得出。

        通常情況下,本構(gòu)關(guān)系可以寫成下面形式:

        這里的本構(gòu)參數(shù)和描述的分別是介質(zhì)的介電常數(shù),磁導(dǎo)率以及電導(dǎo)率。

        在如圖1所示的結(jié)構(gòu)中,假定在無源空間中,介質(zhì)是無色散無損耗的,則電場和磁場具有以下形式:

        在時諧場的情況下馬可以表示如下形式:

        假定媒質(zhì)是各向同性,介質(zhì)的極化強(qiáng)度與電場五平行,即:

        如果考慮材料的非線性效應(yīng),以單一頻率入射的波不會導(dǎo)致克爾介質(zhì)中高階諧波的產(chǎn)生,則介質(zhì)的極化強(qiáng)度可以表示成如下形式:

        在這里是折射率,是三階非線性極化率,他們的關(guān)系為

        利用方程組(1)可得Kerr介質(zhì)中關(guān)于電場的如下非線性方程:

        其中,是自由空間的波數(shù)是

        真空中的光速。由于電場強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度是在交界面處是連續(xù)可導(dǎo)的,易推出如下邊界條件:

        則我們要研究的一維光子晶體非線性效應(yīng)問題中電場強(qiáng)度滿足下面的邊界值問題(11):

        1.2模型求解方法

        基于ZhengfuXu教授和GangBao教授在文中提出的穩(wěn)態(tài)逼近算法,問題(11)的求解等同與求解薛定諤方程(12)在邊界條件(13)和(14)下的解,其中方程是:

        邊界條件是:

        下面我們采用有限元法結(jié)合該穩(wěn)態(tài)迭代法求解這一問題。具體過程如下:

        第一步:給定迭代誤差限,用有限元法求解,其中滿足方程:

        以及邊界條件:

        第二步:同樣用有限元法求解,其中滿足方程:

        以及邊界條件:

        第三步:將第二步得到的作為初始值即,求解下列非線性方程得

        第四步:

        第五步:如果進(jìn)行第六步,否和轉(zhuǎn)到第二;第六步:令,輸出五停止程序。

        下面我們以第二步求解為例說明有限元求解步驟。對于方程:

        當(dāng)時有和,和,則方程(19)可化為如下形式:

        然后引入試探函數(shù),對方程(20)兩邊同乘試探函數(shù)并在中積分得:

        化簡得:

        然后我們采用線性有限元離散可以求解得到.

        2 雙穩(wěn)態(tài)效應(yīng)數(shù)值模擬的實(shí)現(xiàn)

        2.1 算例分析

        一般地,結(jié)構(gòu)中引入克爾非線性將改變?nèi)毕輩^(qū)域介質(zhì)的折射率進(jìn)一步影響透射率,當(dāng)非線性足夠強(qiáng)時將產(chǎn)生雙穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象。在如圖1所示的結(jié)構(gòu)中,我們?nèi)〗Y(jié)構(gòu)模型為5。參考波長,也就是中間層就取了介質(zhì)B.其中,材料A的折射率%=1.25,材料B的折射率為=2.25.

        介電常數(shù)。材料A三階非線性極化率;

        材料B三階非線性極化率,材料A和材料B的厚度都是2/4(即缺陷層和非缺陷層厚度都是。記則有和。圖3給出了該數(shù)值模擬的結(jié)果。該圖顯示了透射率隨入射頻率的變化。當(dāng)入射頻率增大到某一數(shù)值時,透射率會迅速增大,跳躍到另一個值,此后繼續(xù)增大入射頻率,系統(tǒng)的透射率會緩慢到達(dá)一個相對穩(wěn)定的透射態(tài)。而當(dāng)入射頻率減小到另一數(shù)值時,透射率又會迅速下降之后進(jìn)入另一個相對穩(wěn)定狀態(tài)。兩跳躍點(diǎn)的閾值頻率不同,即對一給定頻率處在兩閾值頻率點(diǎn)之間的電磁波,它的透射率存在兩個穩(wěn)定的輸出值。

        2.2 影響雙穩(wěn)態(tài)特性的參數(shù)

        光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象的一個重要課題是對閾值變化的研究。下面我們討論閾值的影響因素。首先我們來研究的影響,使用初始算例保證其他參數(shù)不變僅改變/的取值時得到圖形4。由圖4可見當(dāng)增大時閾值減小,因此選取非線性強(qiáng)度大的材料或者增強(qiáng)入射場強(qiáng)時能降低雙穩(wěn)態(tài)發(fā)生的閾值。

        下面我們研究缺陷層厚度對閾值的影響。我們研究的結(jié)構(gòu)依然為。中間缺陷層B的厚度為.當(dāng)我們保證其他參數(shù)取值不變,改變的取值時得到圖5。由圖5可見當(dāng)增大中間層厚度時雙穩(wěn)態(tài)發(fā)生的閾值會減小,但是實(shí)際情況中我們要考慮整體結(jié)構(gòu)大小的影響,因此應(yīng)在適當(dāng)范圍內(nèi)增加中間層厚度這也將是我們下一步研究的課題。

        本文給出了帶有缺陷的非線性光子晶體結(jié)構(gòu)模型的推導(dǎo)過程及數(shù)值分析。利用有限元方法結(jié)合穩(wěn)態(tài)算法展開數(shù)值模擬,可以觀察到帶缺陷的非線性光子晶體的雙穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象。研究結(jié)果顯示方法是收斂的。最后本文結(jié)合工程上的應(yīng)用,對簡單的一維光子晶體缺陷結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行分析,通過對簡單結(jié)構(gòu)模型參數(shù)的改變發(fā)現(xiàn):材料的非線性強(qiáng)度,入射場強(qiáng)度,中間層厚度對雙穩(wěn)態(tài)閾值有著重要影響。本文的研究成果對高效的光開關(guān)起到一定的指導(dǎo)作用。

        猜你喜歡
        非線性迭代法有限元
        迭代法求解一類函數(shù)方程的再研究
        電子節(jié)氣門非線性控制策略
        汽車科技(2016年5期)2016-11-14 08:03:52
        基于SolidWorksSimulation的O型圈錐面密封非線性分析
        科技視界(2016年23期)2016-11-04 08:14:28
        四輪獨(dú)立驅(qū)動電動汽車行駛狀態(tài)估計
        工業(yè)機(jī)器人鋁合金大活塞鑄造系統(tǒng)設(shè)計與研究
        科技視界(2016年24期)2016-10-11 12:53:13
        迭代法求解約束矩陣方程AXB+CYD=E
        預(yù)條件SOR迭代法的收斂性及其應(yīng)用
        磨削淬硬殘余應(yīng)力的有限元分析
        求解PageRank問題的多步冪法修正的內(nèi)外迭代法
        基于SolidWorks的吸嘴支撐臂有限元分析
        日本福利视频免费久久久| 亚洲都市校园激情另类| 亚洲AV秘 无码一区二p区三区 | 亚洲一区二区三区在线观看蜜桃 | 三上悠亚av影院在线看| 人妻体体内射精一区二区| 大陆极品少妇内射aaaaaa| 亚洲日韩精品欧美一区二区一| 欧韩视频一区二区无码| 国产高清精品自在线看| 天天综合色中文字幕在线视频| 国产高潮迭起久久av| 人妻少妇精品视频专区vr| 日本一道综合久久aⅴ免费| 国产精品爽爽v在线观看无码| 99久久精品费精品国产一区二区| 狠狠人妻久久久久久综合| 国内精品人妻无码久久久影院94 | ā片在线观看| 国产亚洲午夜精品| 色噜噜色哟哟一区二区三区| 亚洲一区二区三区偷拍女| 性色av一二三天美传媒| 免费a级毛片18以上观看精品| 国产欧美日韩在线观看| 99久久综合国产精品免费| 日韩精品免费一区二区中文字幕| 亚州av高清不卡一区二区 | 国产两女互慰高潮视频在线观看| 变态 另类 欧美 大码 日韩| 国产偷窥熟女精品视频| 亚洲高清一区二区三区在线观看| 日韩成人高清不卡av| 狼人伊人影院在线观看国产| 欧美午夜刺激影院| 毛茸茸性xxxx毛茸茸毛茸茸| 国产精品美女AV免费观看| 手机av在线观看视频| 亚洲熟妇av一区二区在线观看| 亚洲国产成人精品无码区在线播放 | 欧美亚州乳在线观看|