光子晶體仿真的案例
基于Rsoft的三芯光子晶體光纖數值仿真
Rsoft是專門做光子晶體光纖仿真軟件，可以通過utility里面的Arrary Layout 來創建三維光子晶體光纖。建立三維模型時在Dimens中選擇選擇2Dxy。選擇BeamPROP模塊的波束包絡法對三芯光子晶體光纖進行仿真，圖1為仿真模型，背景為熔融二氧化硅材料，紅色柱體為氣孔，黃色柱體為纖芯。中間纖芯為定為纖芯1，左邊纖芯定為纖芯2，右邊纖芯定為纖芯3。仿真時，光源的Type選擇為Fiber Mode，然后分別對1、2、3的纖芯路徑的能量進行監測。
圖1 三芯光子晶體光纖建模圖
如圖2,為三芯PCF的縱向功率分布圖，光源從纖芯1輸入波長為1550nm的光，通過仿真可以看出纖芯1的能量在向纖芯2、纖芯3耦合。因為結構對稱可以從數值仿真結果中得出纖芯2、纖芯3耦合的能量相同。當給PCF一個彎曲量時纖芯2、纖芯3的能量曲線就不會重合。這是因為距離發生了改變。
圖2 縱向功率分布圖
圖3為模場分布圖，在開始傳輸時纖芯1的能量高，然后能量會耦合到另外兩個纖芯上。從圖3中可以看出能模態在纖芯間的耦合。
圖3 模場分布圖
通過軟件中的仿真1330~1700nm波長范圍內纖芯1的透射光譜，仿真得到透射光譜有明顯的對比度。并且可以選擇波谷作為傳感的參考點，可以進一步做溫度，磁場，曲率等的仿真，為實驗提供理論支撐。
圖4 透射光譜
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展開 基于Lumerical的光子晶體諧振腔濾波器仿真模擬
教程介紹利用FDTD搭建二維光子晶體諧振腔濾波器模型，并通過仿真求解特定尺寸構型下的諧振腔共振模式以及帶寬等參數。本案中仿真260nm厚度下的嵌有三角晶格陣列的納米孔二維光子晶體諧振腔，仿真波長1000~1400nm。
1. 構建模型
添加三角晶格的納米孔：
納米孔的構造通過structure腳本實現。此處略去了中心兩圈的納米孔，引入光子晶體缺陷，從而有效形成諧振腔。三角晶格常數為366nm。孔半徑為135.42nm。
2. 添加網格
設置網格參數，如下圖所示：
注意本案中由于采用三角網格，便于操作與剖分，將默認正方網格屬性更改為菱形，如下
點擊該控件，繼續編輯，參數設置如下
60是設置相交的兩條網格線的夾角，從而形成菱形。注意網格尺寸這里與晶格大小保持一致，均為366nm。
3. 設置仿真區域FDTD
點擊控件region，添加FDTD區域
設置FDTD參數，如下
上圖FDTD 邊界條件設定中，特定在 z min bc 處設為symmetry，對稱模式，因為整個模型在z方向是對稱的，因此為了節約計算機仿真時間，可以這樣便捷設定。
4. 添加偶極子云dipole cloud
Lumerical 一大優勢是很多分析方法可以通過代碼實現。上述控件添加了交互界面，實現偶極子云的添加，輸入光源。通過對話框輸入可編輯變量，變量的屬性，變量的值等。這些變量后續在代碼中需要調用。注意這里的偶極子位置是隨機分布的，通過運行生產代碼，從而形成偶極子云。
5. 添加諧振模式探測器
同樣點擊該控件，生成代碼編輯交互對話框，重命名該集合。注意模式探測器區域大小與偶極子云區域大小保持一致。
展開 JCMsuite應用：光子晶體諧振腔光子晶體諧振腔
光子晶體(PhC)膜腔是集成光子學中實現緊湊光學元件的理想材料。功能可能包括激光器、開關或放大器。在案例中，計算了L5 PhC薄膜腔的基模。PhC板由一個被空氣包圍的薄介質膜和在一個規則的、有限的、六邊形網格上穿孔的圓孔組成。對于L5腔，省略了沿裝置中心線的5個孔。共振模式被定位在缺失的孔隙處。因為該結構有三個對稱平面(x=0, y=0, z=0)，計算區域選擇為全結構的1/8，在對稱平面上采用鏡像邊界條件。
部分網格離散L5空腔幾何形狀(藍色:介質材料，灰色&省略區域:空氣)。空洞是由圖像左上方缺失的氣孔形成的。在有限光子晶體帶隙內波長的光場被定位在腔內。
Project {
Electromagnetics {
TimeHarmonic {
ResonanceMode {
FieldComponents = Electric
MirrorSymmetry=[ElectricSymmetric,MagneticSymmetric,ElectricSymmetric]
...
}
}
}
}
在運行腳本run_project.m中，從計算出的特征值出發，推導出計算模式的共振波長以及模式的質量因子(Q因子)。
計算的特征模態可以被可視化和后處理。
x-y截面上基模的近場強度
x-z截面基模的近場強度
展開 JCMsuite應用：光子晶體諧振腔光子晶體諧振腔
光子晶體(PhC)膜腔是集成光子學中實現緊湊光學元件的理想材料。功能可能包括激光器、開關或放大器。在案例中，計算了L5 PhC薄膜腔的基模。PhC板由一個被空氣包圍的薄介質膜和在一個規則的、有限的、六邊形網格上穿孔的圓孔組成。對于L5腔，省略了沿裝置中心線的5個孔。共振模式被定位在缺失的孔隙處。因為該結構有三個對稱平面(x=0, y=0, z=0)，計算區域選擇為全結構的1/8，在對稱平面上采用鏡像邊界條件。
部分網格離散L5空腔幾何形狀(藍色:介質材料，灰色&省略區域:空氣)。空洞是由圖像左上方缺失的氣孔形成的。在有限光子晶體帶隙內波長的光場被定位在腔內。
Project {
Electromagnetics {
TimeHarmonic {
ResonanceMode {
FieldComponents = Electric
MirrorSymmetry=[ElectricSymmetric,MagneticSymmetric,ElectricSymmetric]
...
}
}
}
}
在運行腳本run_project.m中，從計算出的特征值出發，推導出計算模式的共振波長以及模式的質量因子(Q因子)。
計算的特征模態可以被可視化和后處理。
x-y截面上基模的近場強度
x-z截面基模的近場強度
展開 
Lumerical光子晶體布拉格光纖仿真應用
SPEOS
Speos是Ansys公司開發的專業用于光學設計、環境與視覺模擬系統、成像應用的光學仿真軟件,已經廣泛用于航空, 航天, 軍工，汽車，軌道交通、通用照明等領域，也可依據人眼視覺特征和材料真實光學屬性進行的場景仿真。Ansys Speos光學仿真軟件基于可視化產品三維模型，直接采用數字樣機，使用虛擬環境仿真平臺，進行視覺功效虛擬分析和人因環境評估，在產品設計階段對的方案可行性進行驗證，在設計前期發現、反饋和處理問題，使光學設計以高效率、超同步、易優化的工作實現可靠的產品解決方案。
Lumerical
Lumerical是Ansys公司開發的用于微納光子器件、芯片及系統的設計仿真軟件，融合了FDTD、EME等求解器，對微納結構及其器件進行設計仿真分析。
咨詢與訂購方式
聯系人：光研科技南京有限公司 徐保平
手機號：15051861513
微信號：13627124798
展開 Ansys Lumerical | 光子晶體布拉格光纖仿真應用
01 說明
FDE求解器可用于精確計算任意復雜結構的模式，包括光子晶體布拉格光纖。在此示例中，我們計算并分析了Vienne和Uranus描述的光子晶體布拉格光纖的模式。
02 綜述
模擬文件bragg_PCfiber.lms包含一個參數化組對象，可以進行結構建模。最初，在x-min和y-min處使用反對稱邊界條件以及在x-max和y-max處使用金屬邊界條件設置模擬。反對稱邊界條件允許我們僅模擬1/4的結構，從而節省時間。但是，我們必須注意不要漏掉可能需要對稱條件或對稱和反對稱條件的組合的重要模式。
03 運行和結果
首先，我們運行仿真并切換到分析模式。我們看到其中一種導模的有效折射率約為0.998。下面是圓柱坐標系中的Hr圖。
要研究此類結構的損耗，需要在x-max和y-max處的邊界條件設置為PML，如下所示。我們最初沒有這樣做，因為它會增加計算時間，并且會更難找到導模的有效折射率。當我們重新計算模式時，我們可以查看折射率0.998附近并發現不同的模式。
軟件會計算出將近20種模式。
模式7是
模式8是
上圖顯示了磁場的徑向和角分量，可以與Uranus等人的結果進行比較，我們將有效折射率和損耗與Uranus等人的結果進行比較。
MODE有效折射率結果與Uranus等人的結果非常接近。對于這種對數值網格的微小變化（以及實際制造缺陷）非常敏感的結構，計算損耗則更加困難，并且需要進行一些收斂測試才能找到更準確的結果。
收斂測試
我們首先將感興趣的兩種模式復制到全局DECK中，并將它們重命名為TE和HE，如下所示。
現在可以通過運行優化和掃描來測試收斂性。掃描通過增加網格數目來多次計算模態。
展開 基于Lumerical fdtd進行無序光子晶體波導的仿真設計及優化
光子晶體是一類通過不同折射率介質周期性的排列而形成的具有光波長量級的周期性人工微型結構，相比于傳統晶體來說，由于介電函數的周期性分布，光子晶體也會產生一些類似于傳統晶體的帶隙，使光局域在帶隙中無法傳播。我們在完整的光子晶體陣列中引入線缺陷可以構造出光子晶體波導，光子波導由于傳播低損耗和體積小等優點廣泛應用于器件之后，在未來光通信領域有很大的前景。光子晶體在實際制備過程中由于不可避免的無序效應而使自身的傳輸特性受到影響，甚至降低其光學器件的性能，但是在光子器件、隨機激光器、太陽能電池等應用領域有著廣泛的應用前景。因此，研究無序光子晶體結構中光傳輸特性，實現對無序光子晶體的光傳輸特性的有效應調控，這無論在理論上還是應用上都具有非常深遠的意義。
當光機晶體波導里面有缺陷時，通過介質傳播的波會經歷多次散射。當波長大于散射中心的大小時，散射體間距離相對較大，稱為弱散射。 在弱散射狀態下，波傳播是一個擴散過程，我們可以用散射之間的平均自由程L或擴散常數ξ來描述。如果散射量足夠大，則擴散常數ξ消失，波傳播可以完全停止。這種現象被稱為安德森局域化。光子晶體在制作過程中難免會出現結構的不理想以及缺陷，這種情況被叫做結構無序，結構無序主要有空氣孔大小無序、位置無序和旋度無序三種情況。在這里，我們采用FDTD solutions軟件研究在單光子源入射的情況下，五邊形光子晶體波導的光傳輸特性隨無序程度變化的情況，進而得出無序效應對二維光子晶體光傳輸特性的影響，證明6%無序度的五邊形氣孔的六邊形光子晶體波導具有引人注目的光傳輸性質。
在這項工作中，六邊形光子晶體晶格結構采用如圖1所示的五邊形氣孔形狀。我們在七排光子晶體中部引入線缺陷，同時在線缺陷兩端設計三排五邊形氣孔的光子晶體，其他最外面三排設計成圓柱形氣孔的光子晶體。采用偶極子光源充當量子點。
展開 JCMsuite應用：空心光子晶體光纖
例如，在多核光子晶體光纖示例中，我們使用晶格副本來創建固體核光子晶體光纖的空氣孔的排列。然而，在某些應用中，可能需要描述幾何圖形，這些圖形不能用簡單的圓、平行四邊形等表示，或者類似物體的復雜陣列非周期排列在規則網格中，需要晶格復制來實現。在這種情況下，通常需要用任意邊界曲線來描述幾何對象，即一般多邊形。這就是本例的情況，其中光子晶體包層的內部孔和中心孔形成復雜的形狀。其幾何結構為中空光子晶體光纖，如下圖所示：
計算得到的空心模式是雙重簡并的。下圖顯示了計算得出的模態強度(第一行)和相應的向量場分布(第二行)。
在run_project.m腳本內將模板轉換為常規的JCMsuite輸入文件，網格劃分并布局，并運行模擬。此外，腳本將結果結構中存儲的特征值寫入控制臺。
results = jcmwave_solve('project.jcmp', keys);
這個例子的project.jcmp、 layout.jcm 和 materials.jcm文件包含了模板文件 ，就要添加一個“t”作為對應模板的后綴。模板被設計成這樣一種方式，只需要定義幾個用戶定義的參數，如圓角、周期、包層環的數量等，就可以生成復雜的布局描述。這些主要的輸入參數是在run_project中設置的。m腳本。當它在Matlab中執行時，命令:
JCMsuite的Matlab?接口允許使用所謂的模板文件生成這樣復雜的文件。因此，可以將JCMsuite語句和Matlab語句進行混合，例如，計算孔隙的點位置。Matlab循環允許在位移位置或修改形狀生成多個對象。
展開 JCMsuite應用：空心光子晶體光纖
例如，在多核光子晶體光纖示例中，我們使用晶格副本來創建固體核光子晶體光纖的空氣孔的排列。然而，在某些應用中，可能需要描述幾何圖形，這些圖形不能用簡單的圓、平行四邊形等表示，或者類似物體的復雜陣列非周期排列在規則網格中，需要晶格復制來實現。在這種情況下，通常需要用任意邊界曲線來描述幾何對象，即一般多邊形。這就是本例的情況，其中光子晶體包層的內部孔和中心孔形成復雜的形狀。其幾何結構為中空光子晶體光纖，如下圖所示：
顯然，這個描述很難“手工”完成，輸入所有點的坐標。相反，在JCMsuite的Matlab?接口的幫助下，建立一個復雜的幾何圖形和模擬運行完成。
JCMsuite的Matlab?接口允許使用所謂的模板文件生成這樣復雜的文件。因此，可以將JCMsuite語句和Matlab語句進行混合，例如，計算孔隙的點位置。Matlab循環允許在位移位置或修改形狀生成多個對象。關于該機制的完整描述可以在Matlab?Interface中找到，并且超出了本例的范圍，本例僅用于演示嵌入式腳本的能力。
這個例子的project.jcmp、 layout.jcm 和 materials.jcm文件包含了模板文件 ，就要添加一個“t”作為對應模板的后綴。模板被設計成這樣一種方式，只需要定義幾個用戶定義的參數，如圓角、周期、包層環的數量等，就可以生成復雜的布局描述。這些主要的輸入參數是在run_project中設置的。m腳本。當它在Matlab中執行時，命令:
results = jcmwave_solve('project.jcmp', keys);
在run_project.m腳本內將模板轉換為常規的JCMsuite輸入文件，網格劃分并布局，并運行模擬。此外，腳本將結果結構中存儲的特征值寫入控制臺。
計算得到的空心模式是雙重簡并的。
展開 JCMsuite應用：多核光子晶體光纖
在這個例子中，我們計算光子晶體光纖(PCF)的本征模如下圖所示。橫截面上的大量空氣孔是使用Lattice Copies生成的，因此一個基本的幾何圖案可以在布局中放置幾次。
這個例子的計算模式很好地限制在被光子晶體圖案包圍的光纖的7芯內。然而，我們要考慮到，由于主導波區域的折射率并不比外部大，輻射會泄漏到計算域的外部。因此，我們將透明邊界條件應用到布局的外部邊界。
下面的圖像顯示了對選擇的光纖計算后的模式強度：
在目前的PCF例子中，為了減少計算成本，應用切向磁邊界條件似乎是合理的，因為電場強度向邊界迅速降低。此外，給定PCF的對稱性允許我們將計算域的大小減少到四分之一。
展開 JCMsuite應用：多核光子晶體光纖
在這個例子中，我們計算光子晶體光纖(PCF)的本征模如下圖所示。橫截面上的大量空氣孔是使用Lattice Copies生成的，因此一個基本的幾何圖案可以在布局中放置幾次。
這個例子的計算模式很好地限制在被光子晶體圖案包圍的光纖的7芯內。然而，我們要考慮到，由于主導波區域的折射率并不比外部大，輻射會泄漏到計算域的外部。因此，我們將透明邊界條件應用到布局的外部邊界。
輸入文件所需的基本參數在基本示例傳播模式中進行了描述。作為有效折射率的初始猜想，我們取值為neff=1.456略低于纖維材料折射率的值neff=1.4585.
下面的圖像顯示了對選擇的光纖計算后的模式強度：
在目前的PCF例子中，為了減少計算成本，應用切向磁邊界條件似乎是合理的，因為電場強度向邊界迅速降低。此外，給定PCF的對稱性允許我們將計算域的大小減少到四分之一。
展開 
EastWave應用：自動計算光子晶體透反率
本案例使用“自動計算透反率模式”研究光子晶體的透反率，將建立簡單二維光子晶體結構以說明透反率的計算方法。
模型示意圖：
預覽網格劃分效果如下：
觀察到下面的實時場：
記錄得到數據如下：
雙擊“TR_A_polar”得到 Y 方向偏振的透反率如下：
圖中的數據也可以導出保存在 txt 文件中。展開圖數據結構“figure”?“coord”? “datamgr”?“r”/“t”右鍵“保存并導出”，輸入文件名“r.txt”/“t.txt”。文件中第一列將保存橫軸頻點，第二列為縱軸相應的數據。
基于Lumerical FDTD的等離子體光子晶體分析
等離子體光子晶體是等離子體和介質或真空構成的周期性結構。通過Lumerical FDTD軟件可以實現分析等立體光子晶體的各項參數對帶隙的影響。
目標結構：PPC方形柱體結構
建模步驟：
1. 點擊Material控件，導入等離子體材料
2. 設置Plasma材料屬性；
3. 點擊Structure控件，創建結構散射體；
4. 設置光源，點擊Source控件選擇Plane wave光源。
5. 注意TM波和TE區別在于polarization angle一個為90，另一個為0；
6. 創建FDTD計算區域；
7. 對于二維光子晶體，在建模時散射體可以為三維，而計算區域設定為二維，三維或二維的設定取決于FDTD的維度屬性設置。
8. 插入監控板，點擊Monitor下拉選擇下圖所示監控板類型，設置監控板屬性；
9. 創建剖分網格；
10. 點擊Check控件下拉選擇材料擬合；
11. 針對Plasma材料進行對應頻域的折射率實部和虛部的擬合；
后處理：
12. 最終透射率結果展現在監控板中，點擊查看T結果，可以在對話框中導出相應數據；
13. 選擇Expert to…輸出透射譜線，建議txt文件格式輸出數據。
最后，如果有FDTD仿真相關需求，歡迎通過微信公眾號聯系我們。
微信公眾號：320科技工作室。
展開 TM光入射 六出口光子晶體陣列
</p><p><br></p><p> 通過移除光子晶體結構中的一些晶柱，可以產生光子波導，根據晶柱間距可以得到光子帶隙。在這一光子帶隙內，只有特定頻率范圍內的波才能通過本例中的波導幾何傳播。</p><p><br></p><p>本模型采用蜂窩狀光子器件，其中移除六條通道，達到傳輸控制的目的。</p>
</div><p><br></p><p><span style="background-color: rgb(255, 255, 255); color: rgb(25, 27, 31);"><img src="https://img.jishulink.com/202409/attachment/03e781d7307845c1b317891388404144.jpg?image_process=/format,webp/resize,w_219" alt="基于comsol的鋰電池疊片電化學耦合熱分析的圖1" width="219"></span></p><p><br></p><div contenteditable="false" width="100%"><img style="width: 358px; height: 243px;" src="https://img.jishulink.com/upload/201910/6f9a3910cb1d48d69a7d5e5366e92de2.gif" width="458" height="342" data-mobile-src="https://img.jishulink.com/upload/201910/6f9a3910cb1d48d69a7d5e5366e92de2.gif?
展開 EastWave應用：自動計算光子晶體透反率
本案例使用“自動計算透反率模式”研究光子晶體的透反率，將建立簡單二維光子晶體結構以說明透反率的計算方法。
模型示意圖：
預覽網格劃分效果如下：
觀察到下面的實時場：
記錄得到數據如下：
雙擊“TR_A_polar”得到 Y 方向偏振的透反率如下：
圖中的數據也可以導出保存在 txt 文件中。展開圖數據結構“figure”?“coord”? “datamgr”?“r”/“t”右鍵“保存并導出”，輸入文件名“r.txt”/“t.txt”。文件中第一列將保存橫軸頻點，第二列為縱軸相應的數據。
