Vector Wave Propagation Method : Ein Beitrag zum elektromagnetischen Optikrechnen

Fertig, Matthias

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URL:	https://ub-madoc.bib.uni-mannheim.de/29233
URN:	urn:nbn:de:bsz:180-madoc-292339
Document Type:	Doctoral dissertation
Year of publication:	2011
Place of publication:	Mannheim
Publishing house:	Universität Mannheim
University:	Universität Mannheim
Evaluator:	Brenner, Karl-Heinz
Date of oral examination:	18 March 2011
Publication language:	English
Institution:	School of Business Informatics and Mathematics > Optoelektronik (Brenner 1999-2008)
Subject:	530 Physics
Classification:	MSC:
Subject headings (SWD):	Optik , Simulation , Photonik
Individual keywords (German):	Elektromagnetisches Wellenrechnen , Optik , Simulation , Beam propagation method , vector wave propagation method , rigorous coupled wave analysis
Keywords (English):	electromagnetic simulation , optics , simulation , beam propagation method , vector wave propagation method , rigorous coupled wave analysis
Abstract:	Based on the Rayleigh-Sommerfeld diffraction integral and the scalarWave Propagation Method (WPM), the VectorWave Propagation Method (VWPM) is introduced in the thesis. It provides a full vectorial and three-dimensional treatment of electromagnetic fields over the full range of spatial frequencies. A model for evanescent modes from [1] is utilized and eligible configurations of the complex propagation vector are identified to calculate total internal reflection, evanescent coupling and to maintain the conservation law. The unidirectional VWPM is extended to bidirectional propagation of vectorial three-dimensional electromagnetic fields. Totally internal reflected waves and evanescent waves are derived from complex Fresnel coefficients and the complex propagation vector. Due to the superposition of locally deformed plane waves, the runtime of the WPM is higher than the runtime of the BPM and therefore an efficient parallel algorithm is desirable. A parallel algorithm with a time-complexity that scales linear with the number of threads is presented. The parallel algorithm contains a minimum sequence of non-parallel code which possesses a time complexity of the one- or two-dimensional Fast Fourier Transformation. The VWPM and the multithreaded VWPM utilize the vectorial version of the Plane Wave Decomposition (PWD) in homogeneous medium without loss of accuracy to further increase the simulation speed.
Translation of the title:	Vector Wave Propagation Method : a contribution to electromagnetic wave simulation (English)
Translation of the abstract:	Auf Basis des Rayleigh-Sommerfeld Beugungsintegrals und der skalaren Wave Propagation Method (WPM) präsentiert diese Arbeit die Vector Wave Propagation Method (VWPM). Die VWPM ist ein propagatives Simulationsverfahren zur Berechnung dreidimensionaler Vektorfelder ohne paraxiale Einschränkung und über den gesamten spatialen Frequenzbereich. Evaneszente Fourier-Moden sind nach der Theorie in [1] modelliert. Die Erweiterung der unidirektionalen zur bidirektionalen VWPM berechnet reflektierte dreidimensionale Vektorfelder über die komplexen Propagationsvektoren und die komplexen Fresnel-Koeffizienten. Spezielle Konfigurationen der komplexen Propagationsvektoren werden für die Berechnung von Totalreflexion, evaneszenter Kopplung (optischer Tunneleffekt) und zur Energieerhaltung eingesetzt (reduzierter Propagator). Die Laufzeit der VWPM ist aufgrund der Überlagerung lokal deformierter Planwellen höher als die der Beam Propagation Method (BPM). Der präsentierte parallele Algorithmus skaliert linear mit der Anzahl der Prozesse (Threads). Der nicht-parallelen Anteil Programmcode ist minimal und hat die Zeitkomplexität der ein- oder zweidimensionalen Fast-Fourier-Transformation. Für die Ausbreitung im homogenen Medium wird zur weiteren Reduktion der Simulationsdauer die Plane Wave Decomposition ohne Verlust an Rechengenauigkeit eingesetzt. (German)