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9/26/2017 1 Lecture 4 Slide 1 EE 5337 Computational Electromagnetics Lecture #4 Transfer Matrix Method These notes may contain copyrighted material obtained under fair use rules. Distribution of these materials is strictly prohibited Instructor Dr. Raymond Rumpf (915) 747‐6958 [email protected] Outline Formulation of 44 matrix equation for 1D structures Solution in an LHI layer Transfer matrices for multilayer structures Transfer matrices are unstable Formulation of 22 matrix equation for 1D structures Lecture 4 Slide 2

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9/26/2017

1

Lecture 4 Slide 1

EE 5337

Computational Electromagnetics

Lecture #4

Transfer Matrix Method

These notes may contain copyrighted material obtained under fair use rules.  Distribution of these materials is strictly prohibited  

InstructorDr. Raymond Rumpf(915) 747‐[email protected]

Outline

• Formulation of 44 matrix equation for 1D structures

• Solution in an LHI layer

• Transfer matrices for multilayer structures

• Transfer matrices are unstable

• Formulation of 22 matrix equation for 1D structures

Lecture 4 Slide 2

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Lecture 4 Slide 3

Formulation of 44 Matrix Equationfor 1D Structures

Lecture 4 Slide 4

1D Structures

Sometimes it is possible to describe a physical device using just one dimension.  Doing so dramatically reduces the numerical complexity of the problem and is ALWAYS GOOD PRACTICE.

z

x

yRegion IReflection Region

Region IITransmission Region

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Lecture 4 Slide 5

3D  1D Using Homogenization

Many times it is possible to approximate a 3D device in one dimension.  It is very good practice to at least perform the initial simulations in 1D and only moving to 3D to verify the final design.

Physical Device Effective Medium Approximation in 1D

1 2 3 4 r

Lecture 4 Slide 6

3D  1D Using Circuit‐Wave Equivalence

r, r,i i in

ii i

i

Z

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4

Lecture 4 Slide 7

Starting Point

0

0

0

yzr x

x zr y

y xr z

HHk E

y z

H Hk E

z x

H Hk E

x y

0

0

0

yzr x

x zr y

y xr z

EEk H

y z

E Ek H

z xE E

k Hx y

We start with Maxwell’s equations in the following form.  Here we have assumed isotropic materials and we will use the positive sign convention for waves.

0H j H Positive sign convention

Lecture 4 Slide 8

Calculation of the Wave Vector Components

The components kx and ky are determined by the incident wave and are continuous throughout the 1D device.  The kz component is different in each layer and calculated from the dispersion relation in that layer.

0 ,inc ,inc

0 ,inc ,inc

sin cos

sin sin

x r r

y r r

k k

k k

2 2 2, 0 , ,z i r i r i x yk k k k

Layer #i

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Lecture 4 Slide 9

kx and ky Continuous Throughout Device

z

xinck

kx

refk -kz,air

kx

kz,air 22 2,air 0 airz xk k n k

,inc 0 ai

,inc a

r

0 ir

cos sin

cosz

x

k k n

k k n

kx

kz,11k

22 2,1 0 1z xk k n k

1n

2n

3n

kx

kz,22k

22 2,2 0 2z xk k n k

kx

kz,33k

22 2,3 0 3z xk k n k

kx

kz,airtrnk

22 2 2,trn 0 air ,airz x zk k n k k

Lecture 4 Slide 10

Waves in Homogeneous Media

0 0 0 0 y yx xz zjk y jk yjk x jk xjk z jk zjk r jk rE r E e E e e e H r H e H e e e

A wave propagating in a homogeneous layer is a plane wave.  It has the following mathematical form.

0 0 y yx xz zjk y jk yjk x jk xjk z jk z

x x xE r E e e e jk E e e e jk E r jkx x x

When we take derivatives of these solutions, we see that

0 0 y yx xz zjk y jk yjk x jk xjk z jk z

y y yE r E e e e jk E e e e jk E r jky y y

Note: e+jkz sign convention was used for propagation in +z direction.

We cannot say that                   because the structure is not homogeneous in the z direction.

zz jk zjk

z

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Lecture 4 Slide 11

Reduction of Maxwell’s Eqs. to 1D

0

0

0

yy z r x

xx z r y

x y y x r z

dHjk H k E

dz

dHjk H k E

dz

jk H jk H k E

0

0

0

yy z r x

xx z r y

x y y x r z

dEjk E k H

dzdE

jk E k Hdz

jk E jk E k H

Given that

x yjk jkx y

Maxwell’s equations become

Note: z is the only independent variable left so its derivative is ordinary. d

z dz

Lecture 4 Slide 12

Normalize the Parameters

yy z r x

xx z r y

x y y x r z

dHjk H E

dz

dHjk H E

dz

jk H jk H E

yy z r x

xx z r y

x y y x r z

dEjk E H

dzdE

jk E Hdz

jk E jk E H

We normalize the coordinates (x, y, and z) and wave vector components (kx, ky, and kz) according to

0z k z

Using the normalized parameters, Maxwell’s equations become

0 0 0

yx zx y z

kk kk k k

k k k

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Lecture 4 Slide 13

Solve for the Longitudinal Components Ez and Hz

yy z r x

xx z r y

x y y x r z z x y y xr

dHjk H E

dz

dHjk H E

dzj

jk H jk H E E k H k H

yy z r x

xx z r y

x y y x r z z x y y xr

dEjk E H

dzdE

jk E Hdz

jjk E jk E H H k E k E

We solve the third and sixth equations for the longitudinal field components Hz and Ez.

yy z r x

xx z r y

z x y y xr

dHjk H E

dz

dHjk H E

dzj

E k H k H

yy z r x

xx z r y

z x y y xr

dEjk E H

dzdE

jk E Hdz

jH k E k E

Lecture 4 Slide 14

Eliminate the Longitudinal Components

We eliminate the longitudinal field terms by substituting them back into the remaining equations.

2

2

yy x x y y r r r x

xr x y x y x r r y

dEk H k k H H

dzdE

k H k k H Hdz

2

2

yy x x y y r r r x

xr x y x y x r r y

dHk E k k E E

dz

dHk E k k E E

dz

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8

Lecture 4 Slide 15

Rearrange Maxwell’s Equations

Here we rearrange the terms and the order of the equations.

2

2

2

2

x yx xx r y

r r

y y x yr x y

r r

x yx xx r y

r r

y y x yr x y

r r

k kdE kH H

dz

dE k k kH H

dz

k kdH kE E

dz

dH k k kE E

dz

2

2

2

2

yy x x y y r r r x

xr x y x y x r r y

yy x x y y r r r x

xr x y x y x r r y

dEk H k k H H

dzdE

k H k k H Hdz

dHk E k k E E

dz

dHk E k k E E

dz

Lecture 4 Slide 16

Matrix Form of Maxwell’s Equations

The remaining four equations can be written in matrix form as

2

2

2

2

0 0

0 0

0 0

0 0

x y xr

r r

x xy x yr

y yr r

x xx y xr

y yr r

y x yr

r r

k k k

E Ek k k

E EdH Hdz k k kH H

k k k

2

2

2

2

x yx xx r y

r r

y y x yr x y

r r

x yx xx r y

r r

y y x yr x y

r r

k kdE kH H

dz

dE k k kH H

dz

k kdH kE E

dz

dH k k kE E

dz

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9

Lecture 4 Slide 17

BTW…for Fully Anisotropic Materials

2

2

ˆyz yz zy x y yz zx yz zyzx x

y x x yx yyzz zz zz zz zz zz zz zz

zy yxz zx xzxy x y x

zz zz zz zz zzy

x

y

k k kj k k jk

kE jk j k kE

Hz

H

2

2

x y xz zyxz zxx xy

zz zz zz

x y yz zx yz zy yz yz zyx zxyx yy y x x

zz zz zz zz zz zz zz zz

y x yxz zxxx

zz zz zz

k k

k k kj k k jk

k k k

x

y

x

y

xz zy zyxz zx xzxy y x y

zz zz zz zz zz

E

E

H

H

jk j k k

Note:  This is for the          sign convention.j ze

Lecture 4 Slide 18

Solution in an LHI Layer

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10

Lecture 4 Slide 19

Matrix Differential Equation

Maxwell’s equations can now be written as a single matrix differential equation.

d

dz

ψΩψ 0

2

2

2

2

0 0

0 0

0 0

0 0

x y xr

r r

y x yxr

y r r

x x y xr

y r r

y x yr

r r

k k k

k k kE z

E zz

H z k k kH z

k k k

ψ Ω

Lecture 4 Slide 20

Solution of the Differential Equation (1 of 3)

The matrix differential equation is

d

dz

ψΩψ 0

This is actually a set of four coupled differential equations.

0zz e Ωψ ψ

This is easy to write, but how do we compute the exponential of a matrix?

2

2

2

2

x yx xx r y

r r

y y x yr x y

r r

x yx xx r y

r r

y y x yr x y

r r

k kdE kH H

dz

dE k k kH H

dz

k kdH kE E

dz

dH k k kE E

dz

The system of four equations can be solved as a single matrix equation as follows.

1

2

3

4

0

0

0

0

zx x

zy y

zx x

zy y

E z e E

E z e E

H z e H

H z e H

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Lecture 4 Slide 21

Functions of Matrices (1 of 2)

It is sometimes necessary to evaluate the function of a matrix.

?f A

It is NOT correct to calculate the function applied to every element in the matrix A individually.  A different technique must be used.

11 12 1

21 22 2

1 2

N

N

M M MN

f A f A f A

f A f A f Af

f A f A f A

A

This is more of an array operation than a matrix operation so it is incorrect to perform on a matrix.

Lecture 4 Slide 22

Functions of Matrices (2 of 2)

To calculate f(A) correctly, we first calculate the eigen‐vectors and eigen‐values of the matrix A.

eigen-vector matrix of

eigen-value matrix of

V AA

D A

Given the eigen‐vector matrix V and the eigen‐value matrix D, the function of the matrix is evaluated as

1f f A V D V

f(D) is very easy to evaluate because D is a diagonal matrix so the function only has to be performed individually on the diagonal elements.

1

2

0 0

0 0

0

0 0 0 M

D

D

D

D

1

2

0 0

0 0

0

0 0 0 M

f D

f Df

f D

D

[V,D] = eig(A);

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Lecture 4 Slide 23

Solution of the Differential Equation (1 of 2)

We had the following matrix differential equation and general solution

0zdz e

dz

Ωψ

Ωψ 0 ψ ψ

We can now evaluate the matrix exponential using the eigen‐values and eigen‐vectors of the matrix  .

eigen-vector matrix

eigen-value matrix

λ

1z ze e Ω λW W

1

2

3

4

0 0 0

0 0 0

0 0 0

0 0 0

z

zz

z

z

e

ee

e

e

λ

Lecture 4 Slide 24

Solution of the Differential Equation (2 of 2)

The solution to the matrix differential equation is therefore

d

dz

ψΩψ 0

1

0

0

z

z

z e

z e

Ω

λ

ψ ψ

ψ W W ψ

We can combine the unknown initial values (0) with W-1 because that product just leads to another column vector of unknown constants.

Our final solution is then

zdz e

dz

λψ

Ωψ 0 ψ W c 1 0c W ψ

c

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Lecture 4 Slide 25

Interpretation of the Solution

zez λWψ c

(z’) – Overall solution which is the sum of all the modes at plane z’.

W – Square matrix who’s column vectors describe the “modes” that can exist in the material.  These are essentially pictures of the modes which quantify the relative amplitudes of Ex, Ey, Hx, and Hy. 

ez’ – Diagonal matrix describing how the modes propagate.  This includes accumulation of phase as well as decaying (loss) or growing (gain) amplitude.

c – Column vector containing the amplitude coefficient of each of the modes.  This quantifies how much power is in each mode.

Lecture 4 Slide 26

Getting a Feel for the Numbers (1 of 2)

For a layer with r = 9.0 and r = 1.0 (i.e. n = 3.0) and a wave at normal incidence, we will have

0 0 0 1

0 0 1 0

0 9 0 0

9 0 0 0

Ω

This matrix has the following eigen‐vectors and eigen‐values.

0.32 0.32 0 0

0 0 0.32 0.32

0 0 0.95 0.95

0.95 0.95 0 0

j j

j j

W

3.0 0 0 0

0 3.0 0 0

0 0 3.0 0

0 0 0 3.0

j

j

j

j

λ

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Lecture 4 Slide 27

Getting a Feel for the Numbers (2 of 2)

We see that the modes occur as either an Ex‐Hy or Ey‐Hx pair.  This is consistent with plane waves.  Due to the normalization, they are 90° out of phase.  A sign difference indicates forward and backward waves.  Only the relative amplitude difference between E and H is important here.

We know the refractive index (n = 3.0), so the eigen‐values are consistent with what we would expect.  The signs correspond to forward and backward waves.

0.32 0.32 0 0

0 0 0.32 0.32

0 0 0.95 0.95

0.95 0.95 0 0

j j

j j

W

3.0 0 0 0

0 3.0 0 0

0 0 3.0 0

0 0 0 3.0

j

j

j

j

λ

inccos

inccos

3

jn zz

r r

e e

jn

n

0

1

3

r

r

r

r

E

H

E

H

The modes in W only contain information about the relative amplitudes of the field components.

The numbers in  describe how the modes accumulate phase in the z direction.  This is essentially just the complex refractive index of the material.

Lecture 4 Slide 28

Visualizing the Modes

0.32 0.32 0 0

0 0 0.32 0.32

0 0 0.95 0.95

0.95 0.95 0 0

j j

j j

W

3.0 0 0 0

0 3.0 0 0

0 0 3.0 0

0 0 0 3.0

j

j

j

j

λ

Mode 1 Mode 2

Mode 3 Mode 4

Mode 1

Mode 2

Mode 3

Mode 4

0.95 0.95

0.95 0.95

-j0.32

j0.32

j0.32

-j0.32

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15

Lecture 4 Slide 29

Transfer Matrices for Multilayer Structures

Lecture 4 Slide 30

Geometry of an Intermediate Layer

Layer i Layer i+1Layer i-1

0iψ

1 0 1i ik L ψ

iL

0i ik Lψ

1 0iψ

1iL 1iL

1icic1ic

i izψ

is a local z‐coordinate inside the ith layer that starts at zero at the layer’s left side.

iz0

iz

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16

Lecture 4 Slide 31

Field Relations

Field inside the ith layer:

,

,

,

,

i i

x i i

y i i zi i i i

x i i

y i i

E z

E zz e

H z

H z

λψ W c

Boundary conditions at the first interface:

Boundary conditions at the second interface:

1 0 1

1 0 1

1 1

0

i i

i i i

k Li i i i

k L

e

λ

ψ ψ

W c Wc

0

0 1

1 1

0

i i

i i i

k Li i i i

k L

e

λ

ψ ψ

W c W c

We need to include k0 in the exponential to normalize Li-1 because the parameter i-1 expects to multiply a normalized coordinate.

Note: We must equate the field  on either side of the interfaces and not the mode coefficients c.

Lecture 4 Slide 32

The Transfer Matrix

The transfer matrix Ti of the ith

layer is defined as:

We start with the boundary condition equation from the second interface and rearrange terms.

1i i i c T c

iT

0 011 1 1 1 i i i ik L k L

i i i i i i i ie e λ λW c W c c W W c

011

i ik Li i ie

λT W WWe then read off the transfer 

matrix.

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Lecture 4 Slide 33

The Transfer Matrix Method

The transfer matrix method (TMM) consists of working through the device one layer at a time and calculating an overall (global) transfer matrix.

1T 2T 3T 4T 5T

global 5 4 3 2 1 T T T T T T This is standard matrix multiplication.

Reflection Region

Transmission Region

The order of multiplication may seem backwards here, but it is not.  Recall the definition of the transfer matrix to have this make sense.

Lecture 4 Slide 34

The Global Transfer Matrix

The transfer matrix so far is not yet the “true” global transfer matrix because it does not connect the reflection region to the transmission region.  It only connects the amplitude coefficients of Layer 1 to the amplitude coefficients in the transmission region.  This is a result of how we defined the transfer matrix.

ref ref 1 1W c W c

Solving this for c1 yields

trn global 1c T c

The global transfer matrix must connect the amplitude coefficients in the reflection region to the amplitude coefficients in the transmission region. Boundary conditions at the first interface require

The global transfer matrix is derived by substituting this result into the first equation.

11 1 ref ref

c W W c

1trn global 1 ref ref

1global global 1 ref

c T W W c

T T W W1

global 5 4 3 2 1 1 ref T T T T T T W W

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Lecture 4 Slide 35

Transfer Matricesare Unstable

Lecture 4 Slide 36

The Multi‐Layer Problem

The diagram below is focused on an arbitrary layer in a stack of multiple layers.  We will be examining the wave solutions in this ith

layer.

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19

Lecture 4 Slide 37

Wave Solutions in ith Layer

Recall that the wave vector can be purely real (pure oscillation), purely imaginary (pure exponential decay), or complex (decaying oscillation).

k k jk

k jk

k kPure oscillation

Pure decay

Decaying oscillation

Lecture 4 Slide 38

Backward Waves in ith Layer

Due to reflections at the interfaces, there will also be backward traveling waves in each of the layers.  These can also have wave vectors that are real, imaginary or complex, so they can oscillate, decay/grow, or both.

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Lecture 4 Slide 39

All Waves are Treated as Forward Waves

The pure transfer matrix method treats all waves as if they are forward propagating.  Decaying fields associated with backward waves become exponentially growing fields and quickly become numerically unstable.

,

,

,

,

i i

x i i

y i i zi i i i

x i i

y i i

E z

E zz e

H z

H z

λψ W c

Lecture 4 Slide 40

TMM is Inherently Unstable

Our wave solution was

x

y z

x

y

E z

E zz e

H z

H z

λψ W c

This treats all power as forward propagating.

We know that backward waves exist.  We also know that decaying fields exist when a wave is evanescent or propagating in a lossymaterial.

When backward waves are decaying and treated as forward propagating waves, they grow exponentially.  This leads to numerically instability.

The TMM is inherently an unstable method because it treats everything as forward propagating.

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21

Lecture 4 Slide 41

The Fix

We are treating all power as forward propagating because we did not distinguish between forward and backward waves.

Clearly, the first part of the fix is to distinguish between forward and backward propagating waves.

This can be accomplished by calculating the Poynting vector associated with the modes and looking at the sign of the z component.  Be careful!  We are using a normalized magnetic field.

0 0

0

1

z x y y x

y xz x y

z x y y x

E H

E H E H

H HE E

j j

E H E Hj

0.32 0.32 0 0

0 0 0.32 0.32

0 0 0.95 0.95

0.95 0.95 0 0

i i

i i

W

3.0 0 0 0

0 3.0 0 0

0 0 3.0 0

0 0 0 3.0

i

i

i

i

λ

Lecture 4 Slide 42

Rearrange Eigen Modes

Now that we know which eigen‐modes are forward and backward propagating, we can rearrange the eigen‐vector and eigen‐value matrices to group them together.

0.32 0.32 0 0

0 0 0.32 0.32

0 0 0.95 0.95

0.95 0.95 0 0

i i

i i

W

3.0 0 0 0

0 3.0 0 0

0 0 3.0 0

0 0 0 3.0

i

i

i

i

λ

0.32 0 0.32 0

0 0.32 0 0.32

0 0.95 0 0.95

0.95 0 0.95 0

i i

i i

W

You will also need to adjust the vertical positions of the eigen‐values so that ’ remains a diagonal matrix.

rearrange modes

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Lecture 4 Slide 43

New Interpretation of the Matrices

3.0 0 0 0

0 3.0 0 0

0 0 3.0 0

0 0 0 3.0

i

i

i

i

λ

0.32 0 0.32 0

0 0.32 0 0.32

0 0.95 0 0.95

0.95 0 0.95 0

i i

i i

W

x

y

x

y

E

E

H

H

E E

H H

zz

z

ee

e

λλ

λ

W WW

W W

0

0

We have now partitioned our matrices into forward and backward propagating elements.

x

y

x

y

E

E

H

H

3.0 0 3.0 0

0 3.0 0 3.0

i i

i i

λ λNote: For anisotropic materials, all the eigen‐vectors and eigen‐values are in general unique.

Lecture 4 Slide 44

Revised Solution to Differential Equation

The matrix differential equation and its original solution was

zdz e

dz

λψ

Ωψ 0 ψ W c

After distinguishing between forward and backward propagating waves and grouping them in the matrices, we can write our solution as

z

E E

zH H

ez

e

λ

λ

0W W cψ

W W c0

We now have separate mode coefficients c+ and c- for forward and backward propagating modes, respectively.

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Lecture 4 Slide 45

Formulation of 22 Matrix Equationfor 1D Structures

Lecture 4 Slide 46

Recall Derivation Up to 44

0

0

0

0

0

0

yzr x

x zr y

y xr z

yzr x

x zr y

y xr z

EEk H

y z

E Ek H

z xE E

k Hx y

HHk E

y z

H Hk E

z x

H Hk E

x y

Start with Maxwell’s equations from 

Lecture 2.

Assume LHI.

0

0

0

0

0

0

yy z r x

xx z r y

x y y x r z

yy z r x

xx z r y

x y y x r z

dEjk E k H

dzdE

jk E k Hdz

jk E jk E k H

dHjk H k E

dz

dHjk H k E

dz

jk H jk H k E

Assume device is infinite and uniform in x and y directions.

x yjk jkx y

yy z r x

xx z r y

x y y x r z

yy z r x

xx z r y

x y y x r z

dEjk E H

dzdE

jk E Hdz

jk E jk E H

dHjk H E

dz

dHjk H E

dz

jk H jk H E

Normalize z and wave vectors kx, ky, 

and kz.

0

0 0 0

yx zx y z

z k z

kk kk k k

k k k

2

2

2

2

x yx xx r y

r r

y y x yr x y

r r

x yx xx r y

r r

y y x yr x y

r r

k kdE kH H

dz

dE k k kH H

dz

k kdH kE E

dz

dH k k kE E

dz

Eliminate longitudinal 

components Ez and Hz by substitution.

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Lecture 4 Slide 47

Derivation of Two 22 Matrix Equations

2

2

x yx xx r y

r r

y y x yr x y

r r

k kdE kH H

dz

dE k k kH H

dz

2

2

x yx xx r y

r r

y y x yr x y

r r

k kdH kE E

dz

dH k k kE E

dz

We can write our four equations as two matrix equations.

2

2

1x x y r r x x

y yr y r r x y

E k k k HdE Hdz k k k

2

2

1 x y r r x xx

yy r y r r x y

k k k EHdEHdz k k k

Note: These equations are valid regardless of the sign convention because there is always a k multiplying another k and erasing the sign.

Lecture 4 Slide 48

Standard “PQ” Form

We can write our two matrix equations more compactly as

2

2

1x x y r r x x

y yr y r r x y

E k k k HdE Hdz k k k

2

2

1 x y r r x xx

yy r y r r x y

k k k EHdEHdz k k k

x x

y y

E HdE Hdz

P

xx

yy

EHdEHdz

Q

2

2

1 x y r r x

r y r r x y

k k k

k k k

P

2

2

1 x y r r x

r y r r x y

k k k

k k k

Q

Note: We will see this same “PQ” form again for other methods like MoL, RCWA, and waveguide analysis.  TMM, MoL, and RCWA are all implemented the same after P and Q are calculated.

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Lecture 4 Slide 49

Matrix Wave Equation

Our two governing equations are

We can now derive a matrix wave equation.  First, we differentiate Eq. (1) with respect to z’.

x x

y y

E HdE Hdz

P

xx

yy

EHdEHdz

QEq. (1) Eq. (2)

22

2

2

0

0x x

y y

E EdE Edz

Ω

Ω PQ

Second, we substitute Eq. (2) into this result.

2

2

x xx x

y yy y

E EH Hd d d d dE EH Hdz dz dz dz dz

P P

2

2

x x

y y

E EdE Edz

P Q

Lecture 4 Slide 50

Numerical Solution (1 of 3)

The system of equations to be solved is

22 2

2

0

0x x

y y

E EdE Edz

Ω Ω PQ

This has the general solution of

x z z

y

E ze e

E z

Ω Ωa a proportionality constant of forward wave

proportionality constant of backward wave

a

a

No mode sorting!   Here, we solved a second‐order differential equation where the modes we calculate are all propagating in a single direction.  We simply write them twice for forward and backward waves and thus they are automatically distinguished.  Before we solved a first‐order differential equation that lumped forward and backward modes together.

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Lecture 4 Slide 51

Numerical Solution (2 of 3)

Recall that

1 1 z z z ze e e e Ω λ Ω λW W W W

So the overall solution can now be written as

1 1x z z

y

E ze e

E z

λ λW W a W W a

2

2 2

Eigen-vector matrix of

Eigen-value matrix of

W Ω

λ Ω

21

1

222

2 NN

zz

zzz

zz

e e

eee

ee

λ

1f f A V D V

We can use this relation to compute the matrix exponentials.

Lecture 4 Slide 52

Numerical Solution (3 of 3)

So the overall solution can now be written as

1 1x z z

y

E ze e

E z

λ λ

cc

W W a W W a

The column vectors a+ and a‐ are proportionality constants that have not yet been determined.

The eigen‐vector matrix W multiplies a+ and a‐ to give another column vector of undetermined constants.

To simplify the math, we combine these products into new column vectors labeled c+ and c‐ .

x z z

y

E ze e

E z

λ λW c W c

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Lecture 4 Slide 53

Solution for the Magnetic Field (1 of 2)

Since the electric and magnetic fields are coupled and not independent, we should be able to compute V from W.   First, we differentiate the above solution with respect to z’.

The magnetic field has a solution of the same form, but will have its own eigen‐vector matrix V to describe its modes.

x z z

y

H ze e

H z

λ λV c V c

x z z

y

H zde e

H zdz

λ λVλ c Vλ c

We are free to choose any sign we wish because it can be accounted for in c-.  We put the minus sign in the solution here so that both terms in the differentiated equation will be positive.  You will see soon why this is desired.

Lecture 4 Slide 54

Solution for the Magnetic Field (2 of 2)

x z z

y

H zde e

H zdz

λ λVλ c Vλ c

We now have

xx

yy

E zH zdE zH zdz

Q

Recall from previous slides that

x z z

y

E ze e

E z

λ λW c W cand

Combining these results leads to

z z z z

z z

e e e e

e e

λ λ λ λ

λ λ

Vλ c Vλ c Q W c W c

QW c QW c

Comparing the terms on the left and right sides of this equation shows that

1 Vλ QW V QWλ

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Lecture 4 Slide 55

Combined Solution for E and H

Electric Field Solution

x z z

y

E ze e

E z

λ λW c W c

amplitude coefficients of forward wave

amplitude coefficients of backward wave

eigen-vector matrix

diagonal eigen-value matrix

c

c

W

λ

Combined Solution

1 x z z

y

H ze e

H z

λ λV c V c V QWλ

x

zy

zx

y

E z

E z ez

H z e

H z

λ

λ

W W 0 cψ

V V 0 c

Magnetic Field Solution

Does this equation look familiar?

This is the same equation we had on for the 44 approach after we sorted the modes.

Lecture 4 Slide 56

Two Paths to Combined Solution

0

0

r

r

E k H

H k E

Maxwell’s Equations Field Solution

2

2

ˆyz yz zy x y yz zx yz zyzx x

y x x yx yyzz zz zz zz zz zz zz zz

zy yxz zx xzxy x y

zz zz zz zz zzy

x

y

k k kj k k jk k

kE jk j k kE

Hz

H

2

2

x y xz zyxz zxxx xy

zz zz zz

x y yz zx yz zy yz yz zyx zxyx yy y x x

zz zz zz zz zz zz zz zz

y x yxz zxxx

zz zz z

k k

k k kj k k jk

k k k

x

y

x

y

xz zy zyxz zx xzxy y x y

z zz zz zz zz zz

E

E

H

H

jk j k k

2

2

2

2

1

1

x y r r x

r y r r x y

x y r r x

r y r r x y

k k k

k k k

k k k

k k k

P

Q

4×4 Matrix Sort Eigen‐Modes

PQ Method

No sorting!  

Isotropic or diagonally anisotropic

Anisotropic

E E

H H

zz

z

ee

e

λλ

λ

W WW

W W

0

0

x

y

x

y

E

E

H

H

zE E

zH H

z

z

ez

e

ez

e

λ

λ

λ

λ

0W W cψ

V V c0

W W 0 cψ

V V 0 c