光子波導
關注創建者：琳泓comsol 創建時間：2019-10-10
光子波導的視頻教程
001 - COMSOL光子晶體波導分束器（含講解）
001 - COMSOL光子晶體波導分束器（含講解，66元） 基本介紹： ·? 主要內容：對一個典型的T型光子晶體分束器做了模擬； ·??基于COMSOL頻域求解，使用的軟件版本為COMSOL 5.3 (5.3.0.223)； ·??計算所需的內存：8 GB； ·??涉及的內容：自定義變量、組件耦合、完美匹配層、散射邊界條件、自定義網格 等； ·??繪制了：場分布和透反射率；
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004 - COMSOL一維光子晶體微腔（含講解視頻）
004 - COMSOL一維光子晶體微腔（含講解，66元） ? 基本介紹： ·? 主要內容：重復碩士論文《一維光子晶體波導與微腔的控光特性及傳感應用研究（作者：楊玉潔）》中的圖3-2b、圖3-4a； ·??基于COMSOL頻域求解，使用的軟件版本為COMSOL 5.3 (5.3.0.223)； ·??計算所需的內存：8 GB；高精度需要128 GB； ·??涉及的內容：在App開發器中錄制和編寫模型方法
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005 - FDTD一維光子晶體微腔（含講解視頻）
005 - FDTD一維光子晶體微腔（含講解，66元） ? 基本介紹： ·? 主要內容：重復碩士論文《一維光子晶體波導與微腔的控光特性及傳感應用研究（作者：楊玉潔）》中的圖3-2b、圖3-4a； ·??基于Lumerical FDTD Solution求解，使用的軟件版本為Lumerical 2016a； ·??計算所需的內存：8 GB； ·??涉及的內容：在structure group
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光子波導的實例教程
我們的期望是五邊形氣孔相比于圓柱形氣孔具有更優良的光傳輸特性，對光的局域能力更強，因此先對波導的間隙、光子晶體晶格常數、圓氣孔半徑等參數進行優化，得到最佳的有序五邊形氣孔的光子晶體波導傳輸特性，其次對中間六排的光子晶體引入無序模型，控制五邊形的旋轉無序程度來實現更強的光場局域特性。
圖1 五邊形氣孔的有序型光子晶體波導模型
對于五邊形旋轉度無序的模型，我們引入如圖2(a)所示的高斯分布的旋轉角度，橫坐標為不同的旋轉角度，縱坐標為不同旋轉角度對應取的五邊形數量，無序光子晶體波導見建模如圖2(b)所示。
圖2 五邊形氣孔的無序型光子晶體波導模型
如圖3(a)所示，對有序五邊形光子晶體波導進行優化，隨后與優化后的普通圓形光子晶體波導的傳輸功率進行對比，證明了五邊形光子晶體波導優異的光傳輸特性；其次研究五邊形光子晶體波導的無序程度對光傳輸功率的影響，結果表明6%無序度對光場傳輸貢獻最高(圖3(b))。
圖3 五邊形氣孔的優化結果
圖4展示了優化后的有光子晶體波導的能量傳輸圖，可以發現其具有良好的光波傳輸和光場局域能力。
圖4 (a) 有序光子晶體波導優化后的Pxy (b) 有序光子晶體波導優化后的Pyz
最后，有相關需求歡迎通過公眾號“320科技工作室”與我們聯絡。
展開 009 - COMSOL含Kerr材料的二維光子晶體波導（僅包含模型文件，40元）
基本介紹：
主要內容：根據發表在Journal of Modern Optics上的文獻《A novel proposal for all-optical compact and fast XOR/XNOR gate based on photonic crystal 作者：Golnaz Tavakoli等》，用COMSOL重復其中的圖2；
計算所需的內存：8 GB；
基于COMSOL頻域求解，使用的軟件版本為COMSOL 5.3 (5.3.0.223)；
涉及的內容：組件耦合-最大最小值、組件耦合-積分、自定義變量、非線性材料（Kerr材料）、完美匹配層、散射邊界條件、參數化掃描 等；
繪制了：電場模、電場z分量、光強分布、折射率分布；
注意：本案例僅包含模型文件，沒有講解視頻，不附帶答疑指導。
包含的文件截圖：
詳細描述：
如上圖所示，基本結構是三角晶格二維光子晶體波導。在兩個平行波導之間制造一個“><”形狀的耦合區域，耦合區域內部的介質柱替換為一種 Kerr 非線性材料。
Kerr 非線性材料的折射率與所處位置的光強有關，可表示為：
其中
光從 A 端口入射，由于 Kerr 非線性材料的折射率與光強有關，所以光經過“><”形耦合區域后，入射光強較大時光主要從 B 端口輸出，而入射光強較小時光主要從 D 端口輸出。
計算的內容和結果：
1、當入射光強較小時，電場z分量分布。左：論文中的結果；右：本案例的結果
2、當入射光強較大時，電場z分量分布。左：論文中的結果；右：本案例的結果
再次提醒：本案例僅包含模型文件，沒有講解視頻，也不附帶答疑指導。
展開 Lumerical是目前市場上專業的模擬光學仿真和硅基光電子設計軟件，提供了強大的設計環境，能夠為光子設計師提供具有創造性，高精確度和成本效益的設計解決方案，幫助設計師開發下一代微納尺度光子技術。
本在線直播培訓課程將從各個論文中的案例出發，針對FDTD和MODE兩套仿真軟件作深入淺出的介紹，并從腳本和可視化界面對結構進行建模和仿真演示，完成對軟件的操作、分析及設計流程。
此次課程主要包括兩大板塊(二選一)：入門+超材料板塊；入門+波導光子器件板塊。
二 培訓方式
本次培訓全程線上授課, 采用一對一或者一對多方式進行, 以視頻方式授課，工程案例講解，答疑，技術交流，
學員需要自行準備電腦。
三 培訓對象
研究方向為超材料仿真或者波導光子器件的研究人員
四、培訓內容
（1）入門板塊
主要通過一個簡單的實例對FDTD的界面和操作流程進行介紹，并對涉及其中的材料庫、結構組、光源和監視器等進行相關說明和解釋，最后將以簡單的案例出發對腳本建模進行簡要的展示和說明。
一種超材料的電場圖
（2）超材料板塊
該板塊主要以案例為主，分別對多個論文中的超材料吸波體、可調超材料以及超透鏡進行復現和說明。在本板塊將對所有結構進行參數化建模，并對輸出曲線進行相關處理，此外還包括超透鏡的計算和整體3D建模，實現一鍵式腳本建模方法。
超透鏡的腳本建模過程圖
偏振分束聚焦超透鏡電場圖
（3）波導光子器件板塊
該板塊從MODE軟件出發，通過其中的FDE、EME以及varFDTD板塊對簡單波導、邊緣耦合器、光柵耦合器、Y型分束器、諧振環等光子無源器件進行建模和相關的論文案例復現。
展開 12月7日，國際物理學權威期刊《物理評論快報》以“Mapping Twisted Light into and out of a Photonic Chip”為題發表了上海交通大學金賢敏團隊最新研究成果，報道了世界上首個軌道角動量（OAM）波導光子芯片。并且同時作為Editors’ Suggestion和Featured in Physics 亮點文章（highlighted article）在PRL網站首頁重點推薦，美國物理學會的《物理》期刊也做了同步發表亮點文章。
這是首次在光芯片內制備出可攜帶光子軌道角動量自由度的光波導，并實現在波導內高效和高保真地傳輸。這項研究進展使得未來在光子集成芯片內高效利用光子軌道角動量這一新興的的自由度成為可能，為基于光子軌道角動量自由度的光信息以及量子信息技術芯片化集成化打開了大門。研究組發表文章前已經為該波導芯片申請了發明專利。
帶有螺旋形波陣面的軌道角動量光子通過芯片內的波導
顯微鏡下所觀察到的“甜甜圈”型波導的橫截面，波導直徑約為10微米
近年來，由于扭曲光（twisted light）獨特的特性，具有“甜甜圈”分布的強度結構，螺旋型波陣面的位相結構，攜帶軌道角動量的動態特性，使其被廣泛地應用于光束縛、光操縱以及光鉗等領域。不同于光的自旋角動量，軌道角動量擁有無限的拓撲荷和內在的正交性，可以為模式多路分發提供巨大的資源，用于解決通信系統上信道容量緊縮的問題。
展開 </p><p class="ql-align-center">（a）結構示意圖；（b）LP11b入射的光場圖；（c）LP01入射的光場圖</p><p><br></p><p><strong>偏振不敏感\硅基模斑轉換器</strong></p><p>為了實現石英光波導中的導模與硅光子波導中的TE0/TM0模之間的有效耦合，提出了一種雙能級多芯偏振不敏感SSC，如圖6所示。首先將條形硅光子波導演化為具有絕熱錐度的三芯波導，然后將三芯波導的三個芯逐漸分離，以實現與硅光波導中模式的最大空間重疊。特別地，在SSC的每個芯的端部處引入角度蝕刻的雙層錐形，這有效地削弱了垂直方向上的模式限制，大大提高了TE0和TM0模式的耦合效率。</p><p><img src="https://img.jishulink.com/202604/imgs/5cf05b640d6d4bafac182d3144074061"></p><p class="ql-align-center">圖6 SSC結構示意圖</p><p><br></p><p><strong>總結與展望</strong></p><p>該多模耦合方案為實現有效的模式耦合/解復用以連接FMF和硅光子芯片提供了一種有希望的選擇。為了在MDM系統中進一步采用，可以引入MIMO DSP方法以降低由于傳輸中的模間串擾而引起的負面影響。另外，該方案綜合了石英光波導對LP模式的控制以及硅光波導對偏振處理的優點，為雙偏振多模信道的光纖-芯片耦合提供了一種有效的解決方案。通過引入具有更多模式信道的PLC模式（解）復用器，可以按比例增加模式信道數量。因此，所提出的具有模式（解）復用/耦合的光子芯片為MDM系統所期望的芯片-FMF連接提供了有希望的選擇。預計它還將擴展到基于其他材料（如鈮酸鋰、氮化硅和硫屬化物）的光子芯片。
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光子波導的最新內容
Ansys | 什么是光電子學？1個月前
Ansys Zemax OpticStudio光學系統設計和分析軟件：OpticStudio軟件可用于設計和分析光學系統，包括透鏡、波導和光子電路，以實現光的控制和引導，被廣泛用于光通信和PIC。
Ansys Speos CAD集成光學和照明仿真軟件：Speos軟件可對光在真實環境中的行為表現進行仿真，以幫助評估系統級光學性能。
什么是波導？2個月前
光子集成電路
此外，光學波導還可在光子集成電路（PIC）中用作電路的“導線”，它們相當于電子集成電路（IC）中的常規導線，但其傳輸信號的方式是光，而非電子。波導可用于連接光子集成電路（PIC）上的不同組件。
PIC通常使用透鏡等組件與光纖耦合，以改變光的聚焦，因為光纖的模場尺寸比PIC大得多。因此，可將光聚焦到較小的范圍內，以降低損耗。
總的來說，基于其窄尖端對準光纖芯的倒錐形的端面耦合器可以將從光纖入射的大模場的模式轉換為光子波導中壓縮的導模。
性能度量參數
在評估端面耦合器的性能時，有一些通用的度量參數，包括耦合效率（或耦合損耗）、器件尺寸、工作帶寬、制造容差和未對準容差。
耦合效率：是指端面耦合器內部光傳輸和模式轉換之后的輸出功率與輸入功率的比率。實現高耦合效率是設計光耦合器的主要目標。
總的來說，基于其窄尖端對準光纖芯的倒錐形的端面耦合器可以將從光纖入射的大模場的模式轉換為光子波導中壓縮的導模。
性能度量參數
在評估端面耦合器的性能時，有一些通用的度量參數，包括耦合效率（或耦合損耗）、器件尺寸、工作帶寬、制造容差和未對準容差。
耦合效率：是指端面耦合器內部光傳輸和模式轉換之后的輸出功率與輸入功率的比率。實現高耦合效率是設計光耦合器的主要目標。
（a）結構示意圖；（b）LP11b入射的光場圖；（c）LP01入射的光場圖
偏振不敏感\硅基模斑轉換器
為了實現石英光波導中的導模與硅光子波導中的TE0/TM0模之間的有效耦合，提出了一種雙能級多芯偏振不敏感SSC，如圖6所示。首先將條形硅光子波導演化為具有絕熱錐度的三芯波導，然后將三芯波導的三個芯逐漸分離，以實現與硅光波導中模式的最大空間重疊。
2.器件設計與工作原理
我們基于經典的Su-Schrieffer-Heeger模型設計了用于調制臂的慢光拓撲光子晶體波導（圖1a）。拓撲光子晶體的單元結構可視為介質AB層狀結構。為了研究混合SiN-TFLN拓撲波導中的慢光效應，我們通過周期性矩形空氣孔來替代堆疊的A層和B層，從而調整集成波導的有效折射率。
圖1采用分段慢波電極的集成LN高效大帶寬慢光MZMs調制器設計。
首先將條形硅光子波導演化為具有絕熱錐度的三芯波導，然后將三芯波導的三個芯逐漸分離，以實現與硅光波導中模式的最大空間重疊。特別地，在SSC的每個芯的端部處引入角度蝕刻的雙層錐形，這有效地削弱了垂直方向上的模式限制，大大提高了TE0和TM0模式的耦合效率。
圖2 五邊形氣孔的無序型光子晶體波導模型
如圖3(a)所示，對有序五邊形光子晶體波導進行優化，隨后與優化后的普通圓形光子晶體波導的傳輸功率進行對比，證明了五邊形光子晶體波導優異的光傳輸特性；其次研究五邊形光子晶體波導的無序程度對光傳輸功率的影響，結果表明6%無序度對光場傳輸貢獻最高(圖3(b))。
這對于一部分是體光學系統，另一部分是波導或光子晶體（需要電磁傳播工具進行傳播模擬）的多級情況系統模擬是十分有幫助的。Lumerical 的有限差分本征模 (FDE) 求解程序可以可以用來確定任意光波導的幾何結構所支持光模式的物理性質。
在本示例中，我們將通過 Lumerical FDE 求解程序來研究從聚焦透鏡到細小二氧化硅光纖的耦合場景。
Baets，“用于光纖和納米光子波導之間耦合的光柵耦合器”，日本應用物理學雜志，第45卷，第8a期，第6071-6077頁，2006年。
2、高級優化 ：R. Marchetti，C. Lacava，A. Khokhar，X. Chen，I. Cristiani，D. J. Richardson，G. T. Reed，P. Petropoulos和P.
