波導(dǎo)模式分析
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2026-01-04
波導(dǎo)模式分析的實(shí)例教程
本教程示例演示了集成光子電路的典型脊形波導(dǎo)的模式分析:
根據(jù)集成電路的設(shè)計(jì)和功能，這種波導(dǎo)可以呈現(xiàn)為直線或曲線結(jié)構(gòu)。JCMsuite允許方便的分析直和彎曲的情況。
在項(xiàng)目文件中定義了數(shù)值傳播模式設(shè)置，其中設(shè)置參數(shù)AxisPositionX = -1e-6，用于設(shè)置波導(dǎo)問題的曲率。因此，將二維截面處理為圓形沿著y軸進(jìn)行一個(gè)掃掠。另外y軸由AxisPositionX替換，即柱面軸的x方向位于AxisPositionX。當(dāng)省略參數(shù)AxisPositionX時(shí)，AxisPositionX >Infinity情況收斂于未彎曲/筆直情況，這是積極地。計(jì)算出的1e-6曲率半徑的有效折射率為3.0189192705+0.0000001039i。與給出有效折射率為2.9854767050+0.0000000000i的筆直情況相比，有效折射率的虛部量化了沿彎曲波導(dǎo)前進(jìn)時(shí)由于模態(tài)泄漏而造成的輻射損失。
下面是彎曲波導(dǎo)基模的強(qiáng)度和矢量場(chǎng)：
展開 本教程示例演示了集成光子電路的典型脊形波導(dǎo)的模式分析:
根據(jù)集成電路的設(shè)計(jì)和功能，這種波導(dǎo)可以呈現(xiàn)為直線或曲線結(jié)構(gòu)。JCMsuite允許方便的分析直和彎曲的情況。
在項(xiàng)目文件中定義了數(shù)值傳播模式設(shè)置，其中設(shè)置參數(shù)AxisPositionX = -1e-6，用于設(shè)置波導(dǎo)問題的曲率。因此，將二維截面處理為圓形沿著y軸進(jìn)行一個(gè)掃掠。另外y軸由AxisPositionX替換，即柱面軸的x方向位于AxisPositionX。當(dāng)省略參數(shù)AxisPositionX時(shí)，AxisPositionX >Infinity情況收斂于未彎曲/筆直情況，這是積極地。計(jì)算出的1e-6曲率半徑的有效折射率為3.0189192705+0.0000001039i。與給出有效折射率為2.9854767050+0.0000000000i的筆直情況相比，有效折射率的虛部量化了沿彎曲波導(dǎo)前進(jìn)時(shí)由于模態(tài)泄漏而造成的輻射損失。
下面是彎曲波導(dǎo)基模的強(qiáng)度和矢量場(chǎng)：
展開 模式分析是射頻和波動(dòng)光學(xué)計(jì)算中的一個(gè)重要工具，因?yàn)樗梢匝芯繌?fù)雜波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的模式特性。在這篇文章中，我將對(duì)模式分析進(jìn)行介紹，并總結(jié)在 COMSOL Multiphysics? 軟件中進(jìn)行這類研究所需的物理場(chǎng)接口、研究步驟和后處理設(shè)置。我還將演示幾個(gè)純模式分析的例子。最后，我將解釋如何利用這些結(jié)果進(jìn)一步計(jì)算復(fù)雜的射頻和光波導(dǎo)系統(tǒng)。
什么是模式分析？
在分析任意一個(gè)三維波導(dǎo)結(jié)構(gòu)時(shí)，了解在給定的頻率下允許傳播哪些類型的電磁波非常重要。波態(tài)是由在波導(dǎo)的二維橫向截面上被激發(fā)的共振模式決定的。模式可以由全局復(fù)值傳播常數(shù)和電場(chǎng)的所有三個(gè)分量的空間分布（也稱作振型）完全描述。具有恒定橫截面的波導(dǎo)中的傳輸機(jī)制可以完全基于這些電磁特性來定義。我們還可以利用這些信息對(duì)更復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的散射特性進(jìn)行頻域研究。
眾所周知，分析解只有在文獻(xiàn)中可用于一些射頻設(shè)計(jì)，例如同軸線和具有矩形或圓形截面的空心波導(dǎo)。對(duì)于其他具有任意形狀和材料組合的任何其他配置，包括所有典型的光纖和集成波導(dǎo)，都必須使用數(shù)值模式分析。圖1 顯示了 COMSOL 軟件設(shè)置 窗口中方程 部分的數(shù)值模式分析 的表述。要進(jìn)行模式分析，需要將給定的頻率代入電場(chǎng)的亥姆霍茲方程中，然后以在面外方向傳播的波的形式搜索解。為此，我們可以使用有限元方法（FEM）和一個(gè)特征值求解器。
注意：模式分析不應(yīng)與更一般的模態(tài)分析相混淆。后者稱為特征頻率分析，可用于在任何可能維度（包括 2D、2D 軸對(duì)稱和 3D）的系統(tǒng)中尋找共振或固有模式和特征頻率。
我們可以使用 COMSOL Multiphysics 的附加產(chǎn)品—— RF 模塊或波動(dòng)光學(xué)模塊中的特征：用于二維或二維軸對(duì)稱幾何結(jié)構(gòu)的電磁波、頻域 多物理場(chǎng)接口和模式分析 研究進(jìn)行模式分析。
圖1. COMSOL ? 中光波導(dǎo)的模式分析。
展開 在波導(dǎo)中往往要從本征模式分析確定波導(dǎo)腔內(nèi)內(nèi)能夠傳輸?shù)?em>模式。本教程以常規(guī)波導(dǎo)為例，用Lumerical Mode Solution模塊計(jì)算尋解特定中心波長(zhǎng)下的本征模式。
目標(biāo)模型：
常規(guī)F-P波導(dǎo)結(jié)構(gòu)腔面
定義材料
打開Mode軟件，點(diǎn)擊Materials控件，在材料庫(kù)中定義目標(biāo)材料。點(diǎn)擊“add”添加新材料，選擇第一行“（n，k）material”。該材料由折射率實(shí)部和虛部定義。
定義材料的名稱，顏色，網(wǎng)格次序等屬性：
構(gòu)建波導(dǎo)實(shí)體
點(diǎn)擊Structure控件選擇對(duì)應(yīng)特征的幾何體，這里主要是長(zhǎng)方體Rectangle。
根據(jù)目標(biāo)模型給幾何體設(shè)定尺寸參數(shù)：
賦予幾何體材料屬性，點(diǎn)擊對(duì)話框中的material頁(yè)，下拉材料庫(kù)選擇目標(biāo)材料，注意自己剛開始定義的材料名稱。
由于波導(dǎo)在y方向可以認(rèn)為無限長(zhǎng)，因此仿真計(jì)算區(qū)域只需建立二維本征求解器即可。模型建立完整之后可以進(jìn)行Run運(yùn)算求解本征模式，包括TE模式，TM模式以及混合模式等。
Run運(yùn)行求解器
等待求解完成后，分析模擬結(jié)果
***注意Mode list表單中給出的信息，有幾行就代表求解到的模式數(shù)。TE polarization fraction是指TE模式純粹度。若該值為100，則表示純TE模式，若該值為0，則表示TM模式。
在結(jié)果頁(yè)中的Mode Plot options中可以選擇想要查看的分量結(jié)果。
結(jié)果輸出
當(dāng)求解完成后，關(guān)閉光場(chǎng)圖結(jié)果頁(yè)。
展開 更加精確的數(shù)據(jù)可使 OpticStudio物理光學(xué)功能大大提高光纖及波導(dǎo)耦合器的設(shè)計(jì)精度。本文給出了幾個(gè)示例。( OptiWave 的 Steve Dods 提供了本文中使用的 SMF-28 光纖模擬數(shù)據(jù)。聯(lián)系我們下載附件。）
簡(jiǎn)介
OpticStudio 能夠?qū)?OptiWave 公司旗下 OptiBPM 和 OptiFiber 中代碼計(jì)算的模場(chǎng)。
這些代碼是專門集成的光學(xué)代碼，能夠?yàn)榧稍诨咨系墓饫w或波導(dǎo)（包括溝道波導(dǎo)、肋形波導(dǎo)或脊形波導(dǎo)等）生成場(chǎng)分布。由這些特殊代碼計(jì)算的場(chǎng)能通過 OpticStudio 模擬在光學(xué)系統(tǒng)中傳播后的變化。OptiBPM 和 OptiFiber 都可以讀取 OpticStudio 生成的 ZBF 文件，這樣一來物理光學(xué)傳播功能在光學(xué)系統(tǒng)中傳播后生成的數(shù)據(jù)就可以做為任意一個(gè)波導(dǎo)模型的輸入導(dǎo)入軟件。
在本文中，我們將比較 SMF-28 光纖的 OptiBPM 模擬結(jié)果與制造商給出數(shù)據(jù)。
導(dǎo)入 OptiBPM 的場(chǎng)分布數(shù)據(jù)
OptiBPM和 OptiFiber 共享 OptiWave 公司專有的文件格式 (*.f3d)。OpticStudio 可以通過以下方式讀取該數(shù)據(jù)：文件 (File) ...轉(zhuǎn)換文件格式 (Convert) ... 轉(zhuǎn)換 OptiWave F3d 數(shù)據(jù)為 ZBF 格式 (OptiWave F3d To OpticStudio ZBF)。
詳細(xì)信息在幫助文件中有具體描述，但請(qǐng)注意以下幾點(diǎn)：
ZBF 文件的 x 和 y 像素?cái)?shù)量必須是 2 的冪級(jí)數(shù)而 .F3D 文件沒有此限制。因此，OpticStudio 將對(duì) .F3D 文件中的數(shù)據(jù)用零值進(jìn)行填充，使其等于最接近的 2 的冪。
.f3d文件不包含數(shù)據(jù)的波長(zhǎng)，因此必須單獨(dú)輸入。
.f3d 文件中的電場(chǎng)相位數(shù)據(jù)將被引用到一個(gè)局部平面。
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波導(dǎo)模式分析的最新內(nèi)容
基于光柵的波導(dǎo)已經(jīng)開始主導(dǎo)增強(qiáng)和混合現(xiàn)實(shí)（AR & MR）領(lǐng)域。這些設(shè)備的最終測(cè)試是在設(shè)備用戶的視網(wǎng)膜處獲得數(shù)字仿生圖像的良好重建。性能的這一方面通常通過調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）來表征，調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）量化成像系統(tǒng)的分辨率能力。與視野范圍均勻性不同（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)小工具的質(zhì)量的另一個(gè)重要度量，因?yàn)榈途鶆蛐钥赡軐?dǎo)致極其不舒服的頻閃和閃爍效果），MTF對(duì)光源的時(shí)間相干性特性以及可能演變的任何衍射極其敏感
任務(wù)：如何準(zhǔn)確計(jì)算波導(dǎo)的MTF？需要考慮哪些影響？
任務(wù)說明書
在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和混合現(xiàn)實(shí)應(yīng)用（AR/MR）領(lǐng)域的波導(dǎo)器件的設(shè)計(jì)過程中，準(zhǔn)確計(jì)算可實(shí)現(xiàn)的光學(xué)性能是其主要任務(wù)之一。除了空間和角度均勻性外，一個(gè)非常重要的量是調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF），它可以評(píng)估最終器件的分辨率能力。在本例中，我們指出了衍射和相干效應(yīng)對(duì)計(jì)算得到的
Lumerical光子集成電路光電元件設(shè)計(jì)4個(gè)月前
基于物理結(jié)構(gòu)輸入，可以仿真多個(gè)方面的器件性能，包括波導(dǎo)的特征模式分析、光傳播和吸收、光電轉(zhuǎn)換、電荷輸運(yùn)、電光材料響應(yīng)和熱行為。根據(jù)感興趣的行為，可以使用多個(gè) Ansys Lumerical 求解器來預(yù)測(cè)和分析性能。例如，可以從電荷輸運(yùn)仿真 (CHARGE) 和特征模式分析 (MODE) 來表征電光調(diào)制器的調(diào)制響應(yīng)，并使用 HEAT 求解器分析熱效應(yīng)。
[NEWSLETTER] 光波導(dǎo)耦合分析4個(gè)月前
從集成光學(xué)到現(xiàn)代顯示技術(shù)，在如今各種應(yīng)用中光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)起著重要作用。因此，所有基于光波導(dǎo)的應(yīng)用中，將光耦合出或耦合入光波導(dǎo)是關(guān)注的問題。這些任務(wù)通常用衍射光柵實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樗鼈兛梢允褂矛F(xiàn)代制造技術(shù)與光波導(dǎo)集成。在VirtualLab Fusion中，可以使用傅立葉模態(tài)法（FMM）嚴(yán)格計(jì)算耦合效率。例如，我們分析了幾個(gè)選定的傾斜光柵，模擬結(jié)果與文獻(xiàn)中的結(jié)果吻合地很好。
光波導(dǎo)耦合分析4個(gè)月前
從集成光學(xué)到現(xiàn)代顯示技術(shù)，在如今各種應(yīng)用中光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)起著重要作用。因此，所有基于光波導(dǎo)的應(yīng)用中，將光耦合出或耦合入光波導(dǎo)是關(guān)注的問題。這些任務(wù)通常用衍射光柵實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樗鼈兛梢允褂矛F(xiàn)代制造技術(shù)與光波導(dǎo)集成。在VirtualLab Fusion中，可以使用傅立葉模態(tài)法（FMM）嚴(yán)格計(jì)算耦合效率。例如，我們分析了幾個(gè)選定的傾斜光柵，模擬結(jié)果與文獻(xiàn)中的結(jié)果吻合地很好。
用于光波導(dǎo)耦合的傾斜光柵的分析4個(gè)月前
摘要
因?yàn)閮A斜光柵在特定衍射級(jí)中具有高效率，故通常被用于將光耦合到光學(xué)光波導(dǎo)中。 如今，它們經(jīng)常應(yīng)用于增強(qiáng)和混合現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中。 本案將展示如何使用VirtualLab Fusion對(duì)文獻(xiàn)中的某些傾斜光柵的幾何形狀，具體參數(shù)如傾斜角度，填充因子和調(diào)制深度進(jìn)行分析。 此外，本案例還研究了不同入射角對(duì)衍射效率的影響。
摘要
因?yàn)閮A斜光柵在特定衍射級(jí)中具有高效率，故通常被用于將光耦合到光學(xué)光波導(dǎo)中。 如今，它們經(jīng)常應(yīng)用于增強(qiáng)和混合現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中。 本案將展示如何使用VirtualLab Fusion對(duì)文獻(xiàn)中的某些傾斜光柵的幾何形狀，具體參數(shù)如傾斜角度，填充因子和調(diào)制深度進(jìn)行分析。 此外，本案例還研究了不同入射角對(duì)衍射效率的影響。
用于光波導(dǎo)耦合的傾斜光柵分析6個(gè)月前
1. 摘要
因其在確定衍射級(jí)上的高衍射效率，傾斜光柵廣泛用于將光耦合到光波導(dǎo)中。如今，傾斜光柵廣泛用于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和混合現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中。本示例中將示范如何使用VirtualLab Fusion分析文獻(xiàn)中具有特定參數(shù)的某些傾斜光柵的幾何形狀（例如傾斜角、填充因子和調(diào)制深度）。 另外，研究了不同入射角對(duì)衍射效率的影響。
諧振波導(dǎo)光柵的嚴(yán)格分析6個(gè)月前
1. 摘要
由于波長(zhǎng)、位相和偏振的可調(diào)諧特性，諧振波導(dǎo)光柵(RWG)可根據(jù)需求不同應(yīng)用于研究和工業(yè)。RWG的結(jié)構(gòu)包含與光柵密接的高折射率波導(dǎo)薄膜。波導(dǎo)支持多個(gè)導(dǎo)波模式，根據(jù)其厚度的
變化，模式數(shù)量也隨著變化。在此示例中，我們?cè)赩irtualLab Fusion中應(yīng)用了Fourier模態(tài)方法（FMM）來嚴(yán)格分析RWG的屬性。
1. 摘要
由于波長(zhǎng)、位相和偏振的可調(diào)諧特性，諧振波導(dǎo)光柵(RWG)可根據(jù)需求不同應(yīng)用于研究和工業(yè)。RWG的結(jié)構(gòu)包含與光柵密接的高折射率波導(dǎo)薄膜。波導(dǎo)支持多個(gè)導(dǎo)波模式，根據(jù)其厚度的變化，模式數(shù)量也隨著變化。在此示例中，我們?cè)赩irtualLab Fusion中應(yīng)用了Fourier模態(tài)方法（FMM）來嚴(yán)格分析RWG的屬性。
2. 建模任務(wù)
