光場圖
關注創建者：320科技工作室 創建時間：2021-05-30
光場圖的實例教程
結果輸出
當求解完成后，關閉光場圖結果頁。展開FDE模塊樹可以右擊已算出的模式數據包，
選擇想要輸出的結果，比如電場圖E、磁場圖H、能量場P以及遠場圖farfield等
**輸出格式可以是圖片或者記事本文檔，建議輸出后者以便加工作圖
總結，該方法已經被成熟運用于相關論文本征模式光場的作圖與分析：
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圖5（b）和（c）給出了入射LP11b模和LP01模的光場圖。
圖5 模式旋轉器。（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。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6 SSC結構示意圖
總結與展望
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。
Ansys Lumerical軟件試用申請，歡迎聯系摩爾芯創。
仿真方法
采用三維有限差分光束傳輸法對MWS和PLC模式（解）復用器進行了數值模擬。在ANSYS Lumerical FDE求解器中計算MWS-FMF和SSC-PLC的重疊耦合損耗。利用三維時域有限差分法（3D-FDTD）計算了SSC與石英單模波導之間的總耦合損耗。
展開 圖5（b）和（c）給出了入射LP<sub>11b</sub>模和LP<sub>01</sub>模的光場圖。</p><p><img src="https://img.jishulink.com/202604/imgs/bafdbb35011c47b49ee307accac4aa0b"></p><p class="ql-align-center">圖5 模式旋轉器。</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。
展開 首先是加入SIO2襯底層，其具體參數如圖2所示。SI芯層是MRR結構，我們選擇直接在物件庫中添加，具體參數如圖3所示。
圖2 SIO2襯底層參數
圖3 MRR具體參數
第二步：在進行參數確定時，某些參數我們可以通過計算提前得出。比如MRR的自由光譜范圍（FSR）可表示為下式：
其中λ表示波長， 表示群折射率，因此，要想設計特定FSR的MRR，除了需要特定的環形諧振腔長度L，還需要知道波導的群折射率。因此，我們將FDE求解器添加到輸入波導附近，如圖4（a）所示，通過計算可得波導的群折射率如圖4（b）所示，結果顯示在1550nm處波導的群折射率約為4.63。FDE求解器的具體參數設置如圖5所示。本次案例所設計FSR在1550nm處為25.6nm，通過計算可得所需的環形諧振腔長度L約為20.2μm 。
圖4 （a）結構示意圖；（b）群折射率
圖5 FDE求解器參數設置
除此之外，我們還知道MRR的耦合長度可以由對稱和反對稱耦合模式的有效折射率之差確定，可由下式表示：
因此，我們將FDE求解器放置在耦合區域處，如圖6（a）所示。通過計算可得對稱和反對稱耦合模式的光場圖如圖6（b）和圖6（c）所示，當波導間隙為100nm時，波長在1550nm處的有效折射率差為0.109，于是計算可得耦合長度應該為1427nm。但是實際耦合過程中，彎曲波導部分也會發生部分耦合，因此，耦合長度設置為0就能滿足耦合需求了，結合耦合長度就能計算出MRR的半徑約為3.1μm。
圖6 （a）結構示意圖；（b）對稱模光場圖；（c）非對稱模光場圖
第三步：確定好相關參數后，就可以加入varFDTD求解器，其具體參數如圖7所示。
展開 圖5 散射光場繪制腳本以及提取的散射場
接著，提取掃描所有球體的仿真結果，形成散射效率曲線。
圖6 散射曲線繪制腳本以及最終繪制的散射曲線
總結
本設計基于FDTD腳本完成了微型球體聚合的空心球殼nanojet的全流程建模，散射光場效果與預期貼近，且散射效率曲線表明不同球殼半徑在不同波長下存在固定差異，實現了較為完善的模擬研究。
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光場圖的最新內容
在剪裁光場的圖中，用戶需要右鍵點擊并選擇相干場操作/合成場（Coherent Field Operations / Synthesize Field.）。相干場合成參數如圖4所示。
最后一步是選擇“追跡現有的（Trace Existing）”來模擬通過空間濾波器的光線傳播。圖5顯示了通過具備光場合成的準直透鏡后的輻照度分布，與忽略了空間濾波器剪裁的分布作比較。
從光場分布圖中可以清晰地觀察到，光束在傳輸過程中始終保持著典型的同心環結構，中心主瓣能量集中，旁瓣強度逐級衰減。這種穩定的能量分布模式，不僅驗證了 HOE 對光束相位調制的有效性，也為其在高精度應用中的可靠性提供了有力支撐。
圖5. 200μm，700μm和1200μm的光場分布
利用XZ的參數掃描創建橫向的強度分布，如圖6所示。
圖4 掃描腳本以及生成的仿真結果
散射光場、效率曲線
首先，基于第二節的仿真結果，選取特定球殼半徑以及波長序號，生成光場圖，見下圖效果。
圖5 散射光場繪制腳本以及提取的散射場
接著，提取掃描所有球體的仿真結果，形成散射效率曲線。
圖6 （a）結構示意圖；（b）對稱模光場圖；（c）非對稱模光場圖
第三步：確定好相關參數后，就可以加入varFDTD求解器，其具體參數如圖7所示。
圖7 varFDTD參數設置
光源、頻域監視器和時間監視器的具體參數如圖8（a-c）所示。
圖3 光場分布圖
圖4 折射率分布圖
角響應
參數掃描對象 "sweep angle" 可用于執行參數掃描。它是一個嵌套掃描，用于計算unpolarized light的光學效率。它在 -36 度和 36 度之間執行 37 個角度的掃描，每個角度有 2 個偏振，總共 72 次模擬。每次模擬只需幾秒鐘。
圖6 光場在模斑轉換器中的傳輸情況。
圖5（b）和（c）給出了入射LP11b模和LP01模的光場圖。
圖5 模式旋轉器。（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。
混合波導的光模場分布如圖1a插圖所示，在TFLN層中的光限制因子為61.5%，可有效利用LN的強電光效應。
該器件的制備工藝流程如下所示。馬赫-曾德爾調制器（MZMs）制備于4英寸TFLN晶圓之上，該晶圓結構為：硅襯底（NanoLN）上沉積2微米厚 埋氧化層，其上覆蓋300納米厚x-cut單晶TFLN層。通過等離子體增強化學氣相沉積法在晶圓上沉積300納米厚的SiN層。
具體如下圖3所示
圖3 波導材料及鋁熱電極熱光材料參數設定
在完成多物理場耦合設置后，進行物理場模擬運算，運算結果如下所示，由于溫度的變化導致波導表面的折射率發生相應的改變：
圖4 溫度變化導致波導表面處有折射率變化
圖5 熱光調制光開光結果圖
如圖5所示，為耦合式光開關調控光場的模擬示意圖
在1550nm波長下，三種模式的光場傳輸圖如圖4所示。
