諧振腔
關注創建者：320科技工作室 創建時間：2021-11-06
諧振腔的視頻教程
038 – FDTD MIM波導電磁感應透明（含演示，66元）
包含的文件截圖（手機端可能無法顯示圖片，請在電腦端查看）： 詳細描述（手機端可能無法顯示圖片，請在電腦端查看）： 如上圖所示，由Ag和空氣縫隙構成一個MIM波導，波導旁邊設置一個六邊形的諧振腔。圖中W = 50 nm, WB = 140 nm, LB = 120 nm, LD = WB = 140 nm, g = 30 nm。
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諧振腔的實例教程
根據其設計的細節，光學諧振腔相對于橫向光束偏移是穩定的或不穩定的。從這個意義上講，穩定性是指在多次往返過程中，任何以一些不太大的初始橫向偏移位置和角度注入系統的幾何射線都將停留在系統內部。在非穩腔中，這樣的射線遲早會被彈射出來。利用ABCD矩陣算法，可以很容易地判斷一個諧振腔工作在穩定或不穩定狀態，以及從一個狀態移動到另一個狀態所需要的諧振腔參數的變化。
對諧振腔特性的更全面的分析需要波動光學，并且通常涉及分析諧振腔模式。在穩態區和不穩定區，諧振腔模式的性質有很大的不同。非穩諧振腔具有許多特殊性質：
①模式總是經歷顯著的衍射損耗，通常是非常高的(每個往返50%或更高的數量級)。
②模式階數越高，衍射損耗通常越大。這種本征模式識別通常有助于獲得激光器的單橫模工作。
③特別是對于硬邊有衍射的諧振腔，橫模分布比較復雜，通常表現出明顯的環形結構。只有數值方法才能用來計算詳細的模式分布。然而，對于一些軟孔徑諧振腔(見下文)，至少可以使用解析方法以合理的精度估計模式特性。
④在線性非穩腔中，反向傳播光束的波前不一定相互匹配，也不一定與兩端鏡面面形匹配。
不應該將"不穩定"的屬性誤解為這樣的諧振腔比穩定的諧振腔更不穩定。相反，不穩定激光諧振腔的對準靈敏度甚至可以大幅低于穩定諧振腔，并且使用不穩定諧振腔已經開發出相當穩健的高功率激光器。
不穩定激光諧振腔中的輸出耦合
通常制作不穩定的激光諧振腔，將上述衍射"損耗"作為有用的激光輸出。輸出耦合器可以是一個普通的激光反射鏡，其場分布延伸到反射鏡邊緣以外，使部分光通過(見圖1)側面的反射鏡。
展開 概述
利用GLAD的優化功能，諧振腔命令可以對諧振腔的各個參數進行優化設計。整個設計分為兩個過程：首先，利用“resonator/test”和“resonator/set”命令對給定腔鏡參數的諧振腔確定腔內本征模的尺寸。然后利用GLAD的優化功能針對特殊的諧振腔參數要求進行優化設計，從而得到對應的本征模式。
一旦確定了給定要求對應的本征模，利用其對應的高斯擬合本征模作為初始解就可以計算考慮衍射效應的實際橫模分布。由于優化得出的本征模與實際的衍射解是非常接近的，因此迭代過程會收斂得非常快。
系統描述
本例重點展示了resonator以及optimization兩個命令的使用。通過調整諧振腔兩端腔鏡的曲率半徑設計出光束束腰為0.04cm的諧振腔。初始狀態時兩個腔鏡的曲率半徑是一樣的，因此諧振腔初始狀態是一個對稱腔。“resonator/test”對建立的諧振腔進行測試，并計算ABCD傳輸特性，從而計算出初始本征模，并將其存儲起來供optimization命令調用優化。
模擬結果
圖1.對稱腔衍射傳輸的迭代收斂過程，只經過了10次迭代就達到了收斂狀態
展開 共焦不穩定諧振腔案例設計
簡介
共焦不穩定諧振腔作為一種專為高功率激光器設計的關鍵光學結構，憑借其獨特的共焦設計理念與反射鏡曲率配置，能夠實現高效的激光能量提取與卓越的光束質量控制，在高功率激光技術發展進程中占據重要地位。本案例借助 OAS 光學軟件，對共焦不穩定諧振腔進行深入建模與仿真分析，旨在展示該軟件在光學系統設計與優化中的強大功能與應用價值。
OAS 軟件中的關鍵設置
光源參數設置
本案例中，依據實際應用需求，設定光束光源的關鍵參數。創建的光束束腰半徑為 16.6mm，此參數直接影響光束的初始發散特性與能量分布；波長設定為 10.6μm，對應常見的二氧化碳激光器工作波長，該波長在工業加工與科學研究領域具有廣泛應用。這些參數的準確設定是構建符合實際需求的光學模型的基礎。
諧振腔結構設置
共焦不穩定諧振腔的核心在于其獨特的反射鏡配置與腔內特殊結構設計。在本模型中，主鏡和次鏡的曲率半徑分別設定為 -600mm 和 -200mm，負曲率半徑表示反射鏡為凹面鏡，這種凹面鏡配置有助于實現激光在腔內的多次反射與能量增強。
同時，主鏡和次鏡均設定為全反射面，以最大限度減少激光能量在反射過程中的損耗。此外，在諧振腔中間創建十字面，并將其定義為全吸收面。該全吸收面的引入能夠有效抑制腔內高階震蕩模式的產生，通過吸收雜散光與高階模式能量，優化光束質量，使輸出光束更接近理想基模狀態。
模型構建
在 OAS 光學軟件中，利用其直觀的圖形化界面與豐富的建模工具，按照上述參數與結構設計，逐步構建共焦不穩定諧振腔模型。
展開 由于本案中諧振腔具有對稱性，因此探測器覆蓋區域僅需覆蓋腔體的1/4即可。
6. 添加模式監控器
依然點擊該控件添加自由編輯輸入注意，通常該監控器是在運行第一遍出現共振峰位的時候再繼續添加分析的，監控器相關參數設置如表中，各個頻率實際上是有前面的結果知道的。本監控器的功能是實現特定頻率或波長下的模式場圖。如果需要知道各個場圖，需要再運行一遍仿真。
7. 分析運行結果
點擊Run開始運行仿真。待仿真結束后，可以右擊各控件，
查看可輸出的結果。如諧振譜線圖：可利用峰位計算帶寬。
右擊mode監控板，查看諧振模式：
8. 透射譜計算即優化
添加透過率監控板，檢測計算透射結果，如下：
優化諧振腔，添加波導通道，刪去通道上的納米孔
優化透射譜線如下：
注意，本案只采樣計算了該波段內的41個點，用戶可自行選取更多采樣計算點，使得計算譜線更加光滑流暢。
特定優化光子晶體諧振腔結構可以有效地實現特定波段的濾光作用。
最后，有需要歡迎通過微信公眾號聯系我們。
展開 ?有許多種類的納米波導濾波器：齒形等離子體波導[2]，盤型諧振腔Channel drop濾波器，矩形幾何諧振腔[3]以及環形諧振腔[4]。
?MIM波導中，有兩種等離子體濾波器，即帶通和帶阻濾波器。
2D FDTD模擬
?選擇TM偏振波激發SPPs
?應用正弦調制高斯脈沖光來模擬感興趣的波長
?輸入場橫向設置為模式場剖面（使用模式求解器計算）
?網格尺寸要小到足以研究SPPs
?對于諧振器，仿真時間應該足夠長，使時域內的場在使用脈沖時衰減到很小的值。
?用Lorentz-Drude模型對銀的色散進行了研究。
納米盤諧振腔設計
模擬結果
輸出記錄器的功率譜*歸一化到光源。顯示波長530 nm和820 nm的兩個峰值**。
*Note：直接從OptiFDTD獲得的功率譜上，可以演示濾波器。傳輸光譜可以使用參考1中的方法來計算。
**Note：峰值波長處的細微差異（與參考相比）是由于使用了不同的金屬模型。
[1] Hua Lu, et al., “Tunable band-pass plasmonic waveguide filters with nanodisk resonators,” Opt. Exp. VOL. 18, NO. 17, 17922-17927 (2010)
[2] X. S. Lin, et al., "Tooth-shaped plasmonic waveguide filters with nanometeric sizes,"Opt. Lett. 33, 2874-2876 (2008);
[3] A.
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因此，多重模式在激光諧振腔中產生。為了模擬一個具有特定模式分布的激光，多個光源可以分配給每個TEM模式。這需要Detailed Optical Source類型來創建這一模式，首先通過選擇光源位置的一個六邊形或網格平面來建立，然后設置高斯切趾。
平面和曲面標準具的建模18天前
這樣的結構形成了一個諧振腔，其中透過率和反射率隨標準具的厚度而變化。除了這個簡單的配置，更復雜的標準具，如非平行表面和曲面，被設計和用于不同的應用。
什么是波導？2個月前
將單個波導的光波分成兩個波導
耦合器：將來自兩個不同波導的光波耦合為單個波導
環形諧振器：由圓形或橢圓形組成，其可用作PIC上的濾波器或調制器
螺旋波導：延遲PIC上的信號
光柵耦合器：將光垂直耦合到PIC與光纖，可以輸入也可以輸出光信號
光開關：改變波導中的折射率，以控制光信號，并在PIC中引導光信號的路徑
光子集成電路（PIC）中的微環諧振腔仿真
Laguerre-Gaussian模型
對于圓柱對稱的激光諧振腔設計，即具有圓形增益孔徑的激光諧振腔，用Laguerre-Gaussian模型給出了傍軸波動方程的合適解。這些模態的電場分布可以用Laguerre多項式表示。
工作原理
傳統的上下載型微環諧振器（MRR）的基本結構如圖1（a）所示，它由兩個直波導和一個環形諧振腔構成。當光從輸入端耦合進MRR后，會被限制在環形諧振腔內循環傳輸，對于一些特定波長的光，其在MRR中傳輸一周之后的相位變化量是2π的整數倍，使得該光會與輸入光發生相長干涉，當光不斷輸入MRR后，光能在MRR中穩定分布，傳輸和貯存，這就是MRR的諧振態。
本期我們針對硅光調制器的幾種常見的光學結構，如微環諧振腔、馬赫-曾德爾干涉儀、慢光諧振腔以及邁克爾遜干涉儀等，簡單闡述這些結構的基本原理、調制機制、優缺點、性能參數和應用范圍。
等硅基光電調制器的常見光學結構
1.
由相長干涉的條件可知，對于諧振態的光，其會滿足下式：
式中neff表示波導的有效折射率；L為環形諧振腔的長度；m為整數。
傳統的上下載型MRR的基本結構如圖1（a）所示，它由兩個直波導和一個環形諧振腔構成。在耦合區1中，假設直波導在耦合前后的電場強度的分別為 A1和A2，而環形波導中的電場分別為B1和B2。
MRR型：
MRR由一個環形諧振腔和輸入輸出波導組成，具有結構簡單、易于集成等優點。其中，環形諧振腔能使不同波長的光信號實現選擇性諧振，因此，級聯不同環形諧振腔長度的MRR，就能實現多個波長的解復用功能，其結構示意圖如圖2所示。
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GLAD：諧振腔的優化設計5個月前
概述
利用GLAD的優化功能，諧振腔命令可以對諧振腔的各個參數進行優化設計。整個設計分為兩個過程：首先，利用“resonator/test”和“resonator/set”命令對給定腔鏡參數的諧振腔確定腔內本征模的尺寸。然后利用GLAD的優化功能針對特殊的諧振腔參數要求進行優化設計，從而得到對應的本征模式。
