The impact of spurious modes in the modal analysis and bpm schemes for the fem modeling of optical waveguides

Resumo: Este trabalho apresenta um estudo dos efeitos dos modos espúrios na análise modal e em esquemas de propagação de feixes na modelagem de guias de onda por elementos finitos mistos. A presença dos modos espúrios no espectro das matrizes de elementos finitos é investigada e discutida a partir de uma formulação alternativa para a análise modal em guias de onda bidimensionais, onde a condição de divergente nulo é imposta inicialmente na equação vetorial de onda. Um novo esquema de propagação de feixes é proposto substituindo a componente longitudinal da equação vetorial de onda pela equação de Gauss e uma análise do efeito dos modos espúrios sobre os esquemas de propagação de feixes é realizada. Testes computacionais de convergência e estabilidade dos novos esquemas de propagação de feixes, assim como dos esquemas convencionais, são apresentados.Abstract: This work shows a study of the effects of spurious modes in the modal analysis and in beam propagation schemes based on finite element mixed for modeling bidimensional waveguides structures. The presence of spurious modes in the spectrum of the finite element matrices is investigated and discussed from an alternative formulation for modal analysis of two-dimensional waveguides, where the divergence-free condition is imposed on the vector wave equation. A new beam propagation scheme is proposed by replacing the longitudinal component of the vectorial wave equation with Gauss equation, and analysis of the effect of spurious modes on beam propagations schemes is performed. Computational convergence and stability tests for the new beam propagations schemes as well as the conventional schemes are presented