如果你曾經參觀過倫敦圣保羅大教堂內的華麗穹頂，想必你當時說話的時候一定非常謹慎。瑞利勛爵大約于 1878 年發現，拱形結構呈現出一種有趣的聲學現象，即在穹頂的一邊小聲說話，在其他位置可以聽得非常清楚。瑞利將這種效應稱為“回音廊”。令人驚訝的是，你完全可以在另一個科學領域觀察到類似的效果：光波在光環諧振器中傳播。

什么是光環諧振器？

像濾光器一樣，光環諧振器是只允許一個狹窄頻帶通過的波導結構，這種結構也能用于耦合方向相反的兩個光波導。典型的光環諧振器包含兩部分：

1. 直波導

2. 環形波導

波導芯緊密地放置在一起，光波從一個波導耦合到另一個波導。

光環諧振器（上）表現出類似于回音廊（下）的效果，但是用光波代替聲音。右：倫敦圣保羅大教堂內的回音廊。

在硅光子學領域，光環諧振器表現出用作集成光路元件的潛力。由于諧振器的折射率相差極大，它可以產生極小的光路。此外，還可以將兩個或多個光環諧振器相結合來開發結構緊湊、損耗最低且易于集成到現有網絡的高階濾光器。光環諧振器的其他應用還包括可調諧機械傳感器、生物傳感器、光譜學，以及量子光子研究

在光環諧振器中，光沿著環路傳播，并由于全內反射（total internal reflection，簡稱 TIR）而保留在波導中。全內反射是一種光學現象，即光線不會折射通過它們觸及的介質邊界。

光在光環諧振器中的傳播。

由于只有少數波長在這些環路中達到諧振，因此光環諧振器被用作濾波器。諧振腔耦合器的傳輸損耗可以對波在傳播過程中產生的損耗起到平衡作用，對陷波濾波器來說非常理想。

在 COMSOL 軟件中模擬光環諧振器

波動光學模擬軟件有助于評估光環諧振器的光譜特性。例如，你可以使用 COMSOL 軟件和附加的波動光學模塊，模塊中包含預定義的電磁波，波束包絡接口。此接口用于模擬光波在許多波長上的傳播，你可以利用其中的分析結果來評估光環諧振器作為陷波濾波器的性能。

電磁波，波束包絡接口基于波束包絡法，這是一種數值方法，用于分析大型光學仿真中的慢變電場包絡。與傳統光學分析方法相比，波束包絡法不需要一套細化的網格即可解析波的傳播，這使得此方法成為一種計算高效的選擇。

在兩個波導之間的邊界上發生相位躍變的光環諧振器（y = 0）。

在直波導與環形波導之間的邊界上存在不連續的相位近似。通過執行場連續性 邊界條件，可以處理這種相位不連續以及場包絡的相位不連續。該邊界條件使得電場和磁場在邊界上具有連續的切向分量，即使存在相位躍變也是如此。

計算仿真結果

為了計算模型的光譜特性，你可以使用波動光學特有的模擬特征來運行邊界模式分析和頻域研究。下圖為諧振波長的場圖。這些結果表明，當直波導中的場與環形波導中的場發生干涉時，它們是異相的；因此，直波導中的出射場幾乎為零。由于幾乎沒有光從直波導傳輸，所以可以認為這個光環諧振器是設計良好的陷波濾波器。

你可以測試模型的參數來設計一個改進的光環諧振器，使其完全阻擋諧振波長的光，甚至可以通過構建 App 來高效運行多個分析.

來源：COMSOL