電磁波調制的案例
基于comsol進行等離子體缺陷的二維微結構電磁調制仿真
關鍵詞：微結構器件；禁帶效應；等離子體缺陷；開關調控；電磁波調制
光子晶體是一種介電常數呈周期變化的材料，通常通過調節介質材料與空氣或其他具有折射率差異材料間的周期排列結構，實現電磁波透射率在特定頻段下出現諧振現象，在當前的電磁調制器件開發中有著極為廣闊的應用前景。但受限于光子晶體器件調制功能較為單一、調制靈活性較低這一問題，本文通過在現有光子晶體中設置等離子體二維點缺陷，利用禁帶缺陷態效應，顯著提高了電磁調制器件的調制效率和靈活性，對于高效電磁調制器件的開發設計與有限元仿真具有一定借鑒意義。
本文主要從點缺陷和設置及電磁調制響應Comsol仿真仿真展開，基于禁帶缺陷態調制理論，本文選擇三角形晶格結構進行建模，選用氧化鋁為纖維棒作為微結構介質材料進行二維建模，氧化鋁纖維折射率為3.08，直徑為6mm，周圍環境為空氣，折射率為1。為設置二維點缺陷，在中間設置基于SiO2前提的等離子體缺陷，等離子體折射率為0.97，建模如圖1所示。
圖1（a）無點缺陷光子晶體結構建模；（b）設置等離子體二維點缺陷結構建模
基于上述模型建立，對于此二維結構仿真，波源采用端口激勵，波沿Y軸傳播TE模式，電場沿著Z軸振動。為了計算結果的準確，對于此模型中的TM波，沿X軸的兩個邊界處設為完美磁導體，可以用來模擬Ｘ軸方向上無限多層。
通過物理場控制網格劃分后，對于原始二維光子晶體結構在6 GHz~16.2 GHz下進行電磁仿真，仿真結果如圖2所示。仿真結果表明該結構在8~10 GHz和15.2~16 GHz下展現出兩個近零透過率的禁帶頻段，實現了較好的電磁調制。并由禁帶頻率9 GHz下電場分布解析可知，禁帶頻段下，特定波長電磁波無法透過該光子晶體結構，進而展現出極低透射率。
展開 25，調控電磁波的傳播方向1-使用石墨烯調制雙曲材料等頻線實現負折射 ￥2500
論文重點：通過給石墨烯施加不同的電壓，實現了電磁波從正折射到負折射的轉變。
模型介紹：
作者在雙曲材料MoO3上一半區域覆蓋上石墨烯。然后在沒有覆蓋石墨烯的MoO3上面放上一個金納米棒，讓平面電磁波激發出金納米棒的偶極共振，偶極共振在雙曲材料上傳播，其波前為雙曲線，表明波是發散的。但是當波穿越同上一定電壓的石墨烯后，波前變為橢圓，表面波匯聚了。作者將石墨烯費米能級EF從0加到0.66eV，實驗上和仿真上都觀測到了波從發散到匯聚的現象，這個現象的本質是波的傳播從正折射轉變為負折射了，實現了正負折射的可調可控轉變。
下面是使用comsol繪制的動態圖
下面是我對正文圖片中仿真結果的復現
圖2
圖3
最后是付費內容，包含上面展示的所有復現結果，即論文圖2cd,圖3d的復現，如下。
展開 Ansys Lumerical | 行波 Mach-Zehnder 調制器仿真分析
使用 INTERCONNECT 打開文件 tw_modulator_INTERCONNECT_ONA.icp，它表示調制器光子電路以及 ONA(Optical Network Analyzer) 測量設備。調制器本身包括一個輸入波導 Y 分支，其后是每個分支上的波導和光調制器，以及將 2 個調制器臂重新組合在一起的輸出 Y 分支。上調制器臂還有一個行波電極 (TWE)，相移應用于此臂，而下臂保持零參考偏壓。光網絡分析儀向輸入 Y 支路提供光輸入，并從輸出 Y 支路接收輸出光信號，而上臂 TWE 被直流信號偏置。
行波電極可調變光程最大為5000um(假設90%有效),源端與輸出端阻抗都設定50 Ohm，其他則為腳本輸入的步驟2與4仿真結果。整個系統器件的操作波長設為1.55um，在0V偏壓情況下對應的有效折射率、群折射率與損耗。
設定好之后以Interconnect中的光網絡分析器(Optical Network Analyzer, ONA)對系統的穿透波進行分析。在ONA源設定仿真波長為1550到1650nm，共1000個波長點，在DC_2分別用-0.5,0,0.5三電壓條件控制行波電極，可以得到不同電壓下穿透率隨波長的變化，從圖可知在控制電壓改變1V時穿透波長差異僅0.8~0.9nm。
接下來將整個形波馬赫-曾德爾調制器放進眼圖分析系統，使用 INTERCONNECT 打開文件 tw_modulator_INTERCONNECT_eye.icp，該文件表示調制器光子電路以及眼圖測量設備。
展開 Lumerical案例 | 具有分布式電極的行波調制器
不同光波與微波速度失配百分比下，行波調制器調制強度與微波頻率的關系
不同特性阻抗和微波損耗下的調制頻率響應
在參考文獻3中，研究了不同特性阻抗和微波損耗的調制頻率響應；我們通過使用我們的行波電極進行仿真，將電極特性阻抗作為參數，復現了這些結果。以下圖表顯示了仿真結果，圖中標明了所有參數。
不同特性阻抗和微波損耗的調制頻率響應
不同相移長度的調制頻率響應
在參考文獻4中，研究了針對不同相移長度的多種調制頻率響應。下圖是我們使用行波電極單元在仿真中重現的結果。兩次測量中相移器的長度分別為1mm和2mm，調制器的偏置電壓分別為0V和-3V。
不同相移長度的調制頻率響應
不同終端阻抗的調制頻率響應
在參考文獻5中，進行了兩項測量。一項是以終端電阻為參數的頻率響應測量，另一項是歸一化平均電壓的測量。下圖顯示了測量結果，并標注了所有參數。
不同終端阻抗的調制頻率響應
4納米和8納米調制器的調制頻率響應
利用參考文獻3中的模型，可通過下圖預測帶寬分別為4nm和8nm的調制器的調制強度。在我們重現的該圖中，藍色和綠色曲線分別測量4nm和8nm調制器的帶寬。
所有使用行波電極元件的仿真結果都與已發表的文獻結果吻合良好，這證明了該元件的準確性。更多信息請參見下文應用示例：系統建模說明與結果。
系統建模說明
在這一部分，提供了兩個行波調制器的系統建模說明，并討論了仿真結果。
為了說明行波調制器的原理，我們構建了兩個仿真系統：其中一個調制器由外部行波電極驅動，另一個調制器則由常規電信號直接驅動，但內置了行波電極。
在文件TWM_waveguide_electrodes.icp中，光學調制器由NRZ電信號驅動，該電信號通過行波電極波導。光學調制器電極類型設置為"lumped"。行波電極波導對電信號產生濾波效果。
展開 
直流無刷驅動MS4932三相正弦波 DC 電機控制器 三相有感正弦波BLDC預驅動，支持空間向量調制（SVM)
產品描述:
MS4932是一款三相正弦波無刷直流電機(BLDC)或永磁同步電機(PMSM)控制器。該芯片對霍爾感應信號進行處理，控制器可以通過開關三相轉換器來實現 PWM 交換。MS4932/MS4932N 有兩種 PWM 模式：正弦波模式和方波模式。該芯片具有過壓保護、過流保護、短路保護以及過溫保護，用來保護芯片及馬達不會受到損壞。
Ansys Lumerical | 行波馬赫曾德爾調制器的仿真設計與優化
說明
本案例將Lumerical和HFSS在行波MZM調制器建模中的功能與optiSLang相結合，提供了強大的優化能力以尋找最佳性能設計。
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綜述
本案例建立在已有的硅波導建模實例（Ansys Lumerical 行波 Mach-Zehnder 調制器仿真分析）的基礎上，該示例由反向偏置 pn 結進行相位調制，由 Al 共面傳輸線驅動。該示例的演示目標是找到具有最佳品質因數的設計，相移、損耗和速度失配等結果與所選輸入，摻雜和電極形狀等參數的函數關系。分立的器件電學、光學以及RF模型都將被導入到optiSLang當中，并在optiSLang建立元模型，對大量輸入進行優化以找到最佳設計。此外，還可以將INTERCONNECT添加到optiSLang中計算誤碼率。
步驟1：運行多物理仿真獲得初始結果
使用 Charge 仿真得到調制區在不同偏壓 (-0.4V~4V) 的載流子分布，并導出 monitor_charge 的結果。
展開 Lumerical案例 | 內置直流偏置電極的薄膜鈮酸鋰行波調制器
基于TO效應的直流偏置控制在TFLN調制器中也得到廣泛應用。然而，由于鈮酸鋰材料的TO系數較低，驅動TO電極的能量消耗相對較高（≈100mW）。為克服這一挑戰，研究人員引入了異質集成方案：先利用硅波導實現高效的TO調諧，再將光耦合至TFLN波導進行高速調制。此方案需采用額外的制造技術。另一種方案是采用帶有熱隔離溝槽的加熱器以降低功耗，但代價是調諧響應時間從微秒級大幅延長至毫秒級。此外，這種獨立的直流調諧需要為直流電極額外設置一段波導，從而導致器件總長度增加。
本文提出并驗證了一種基于電光（EO）的偏置調諧解決方案，該方案在行波調制電極內嵌入直流偏置電極，有助于TFLN調制器實現更緊湊、低功耗和快速的直流偏置控制功能。所提出的調制器采用由SiO?層絕緣的分層電極結構，同時形成直流偏置電極和微波調制電極。該設計同時實現了直流電極的純電容負載與行波電極的標準50Ω終端匹配，可在近乎零功耗且不影響調制性能的前提下獲得理想偏置條件。實測半波電壓長度積(VπL)低至2.3V·cm，帶寬超過67GHz。成功實現高達128GBaud的高速數據傳輸。我們還證明，通過施加不同的直流偏置，可相應調節微波調制電極產生的電光響應和誤碼率（BER），這證明了本器件的偏置控制能力。
2.器件設計與制造
如上所述，有多種方法可將TFLN MZM偏置至所需工作點。如圖1a所示，可在MZM中采用獨立的TO或EO移相器實現直流偏置。然而，此類附加移相器將增加器件長度，且如前所述，TO移相器會引入額外功耗。如圖1b所示，也可采用外部bias tee將微波信號與直流偏置信號同時耦合至行波電極，從而避免額外的片上元件。但該方案會導致直流偏置信號通過微波電極上的50Ω終端電阻，從而增加器件功耗并限制其可承受的最大直流電壓。
展開 Ansys Lumerical | 優化行波馬赫-曾德爾調制器-optiSLang互操作性
進一步開發模型
參數求解器系統中包含的INTERCONNECT提供了一個單獨的optiSLang項目文件，可以計算調制器的BER。從CHARGE、MODE和HFSS中收集與波導、光調制器和行波電極相關的參數，以創建緊湊的模型。基于步驟三獲取的優化參數動態更新輸入配置，可實時追蹤品質因數（FoM）的迭代優化進程。
1. 打開tw_modulator_INTC_eye.icp并確保文件已運行。
2. 打開TWMZM_single_run.opf。雙擊Parametric System并在Parameter選項卡中為每個輸入指定值。
3. 運行項目。包括BER在內的結果可以在Parametric系統的Result designs選項卡中訪問。
其他資源
相關出版物
HaoXuetal.,"DemonstrationandCharacterizationofHigh-SpeedSiliconDepletion-ModeMach–ZehnderModulators",IEEEJournalofSelectedTopicsinQuantumElectronics,Vol.20,No.4(2014)
附錄
本節提供有關使用OptiSLang項目文件的其他信息，包括打開項目時的一些提示。
更新launcher目錄：Lumerical和HFSS啟動器的目錄可能因每個用戶而異，例如，取決于安裝的版本。對于AMOP模塊中的每個塊（CHARGE、FDE和HFSS），請確保正確選擇目錄。為此，請轉到設置選項卡并檢查可執行文件路徑。
重新定位文件：打開optiSLang時，您可能會收到與從其他模擬中查找關聯文件相關的提示。您可以根據自己的喜好決定使用三個選項之一（例如，自動或自定義重新定位）。
展開 "波"與"力"的特殊關系，電磁波或是純粹的"力"！
聲波是高頻“力”的傳播或許不足為奇，但電磁波也有相似的傳播特征，這卻有重大的意義。
二、電磁波 (Electromagnetic wave)又稱電磁輻射、電子煙霧
1865年，James clerk maxwell 創立了經典電磁理論，并預言了電磁波的存在，且通過麥克斯韋方程計算出光速。1887年，赫茲用實驗證明了電磁波的存在。其后，電磁理論逐步完善。
電磁理論認為電磁波是變化電場周圍激發出磁場，變化磁場周圍再激發出電場,空間電場、磁場的相互激變使電磁波實現傳播。然而，進一步研究發現，磁場、電場的本質是“力”。
磁場的定義是，對放入其中的磁體有磁力作用的物質叫磁場。當一個磁針受力偏轉時，就可斷定周圍有磁場。反過來說，如果磁場對任何物質都不產生作用力，就不能稱為磁場，因此磁場的本質是磁力，“磁力”是磁場唯一標志。
同理，電場的本質是電荷對電荷的作用“力”，當電子在某一區域受到力時，就斷定周圍有電場。相反，如果電場中不產生任何力，也就不成為其電場，因此電場就是電荷力的作用場，“力”是電場的唯一標志。
磁場是“磁力”，電場是“電荷力”，那么，電場、磁場的相互激變，必然是電荷力與磁力的激變，因此，電磁波的傳播本質是傳播“電磁力”。
再從電磁波傳播的效果看，在電磁波接收器中，接收到的電磁信號本質是什么？其實是導體獲得微小高頻電流，而電流是電子的流動，但是電子只有受到電磁力作用才會移動，電磁力從何而來呢？是電磁波發射器傳送來的，因此電磁信號的傳遞就是傳遞“電磁力”。
電磁波的本質是傳播高頻的“電磁力”。這似乎難以讓人接受，但電磁波在客觀中的表現卻與此很吻合。
展開 通過仿真分析電磁表面波
人們對被限制在沿表面傳播的電磁波，例如表面等離激元(SPPs)，有很大的研究興趣，因為它在納米級光控制中有著潛在應用。在這篇文章中，我們將討論如何設置一個仿真來可視化表面等離激元的傳播以及頻率-波矢量色散關系。
表面等離激元簡介
電磁學的控制方程，也就是麥克斯韋方程組，可能看起來很簡單，但它們的含義卻極為廣泛和深刻。因此，傳播的電磁波可以以各種眾所周知的形式存在，如平面波、球面波、高斯波束，以及一些鮮為人知的形式，包括貝塞爾波束、艾里波束和渦旋波束。還有一些被限制在空間內傳播的電磁波，例如在金屬或介電波導中傳播的波導模式。
此外，還有一種特殊類型的被限制在平面上的電磁波。這種類型的波沿切向表面傳播，并在垂直方向上呈指數衰減。與相同頻率的自由空間波長相比，它的波長通常更小。因此，這種類型的波為光子的納米級控制和操作提供了一個潛在的技術平臺，從光通信和信息處理到太陽能收集和數字顯示，這在許多應用中都是需要的。這種類型的波是在金屬-介電界面上發現的，現在被稱為表面等離激元(SSP)。等離激元是指金屬中電荷的集體振蕩。自發現以來，人們已經了解到許多材料系統都支持這種類型的表面波，例如接近其聲子共振頻率的極性介電材料和接近其激子頻率的半導體材料。相應的表面波分別稱為表面聲子偏振子和表面激子偏振子。
無論支持的介質和微觀細節如何，不同類型的表面波背后的宏觀物理學是相似的。在下面的章節中，我們將重點討論介電和金屬界面之間的等離激元建模。然而，需要注意的是，本文所涉及的建模技術也可以通過一些適當的修改，以類似的方式應用在其他表面波，如 Sommerfeld-Zenneck 波和 Dyakonov 波。
最簡單的等離激元色散的推導
為了清楚地了解什么是表面等離激元，讓我們研究一下支持表面等離激元的最簡單的系統，即體金屬-介電界面。
展開 在電磁波仿真中定義材料屬性的 3 種方法
結合我們之前發布的關于模擬開放邊界條件及模擬端口的文章，我們已經基本掌握了電磁波模擬的所有相關基礎知識。
本文來自： COMSOL 博客
電磁波時域有限差分方法
電磁波時域有限差分方法 /葛德彪, 閆玉波 .--西安 :西安電子科技大學出版社 ,2002
246頁, [4] 頁圖版 :圖 (部分彩圖) ;26cm .--(研究生系列教材 ),圖 (部分彩圖) ;圖 (部分彩圖)
西安電子科技大學研究生教材建設基金資助
ISBN:7-5606-1059-5 :CNY20.00
本書共有11章, 討論FDTD基本原理, 介紹Yee元胞及FDTD基本方程, 數值穩定性, 吸收邊界條件, 常用入射波形式及其引進方法等。
Ⅱ.①葛德彪 閆玉波 Ⅲ.①電磁波 Ⅳ.①O441.4 /22
展開 西工大《CEJ》：新一代穩定、輕質、高效電磁波吸收材料！
消除電磁污染、保護人體健康和設備完整性是幾十年來民用吸波材料的發展目標。然而，隨著通信設備的發展，廣泛用于傳輸信息的電磁波強度逐漸增加，頻率范圍逐漸擴大(從兆赫到千兆赫)，使得傳統的吸收材料難以滿足復雜電磁污染的消除要求。新一代高效吸收材料對候選材料提出了四大要求：涂層厚度更薄、重量更輕、吸收范圍更廣、吸收能力更強。對社會來說，這是發展的必然要求，對科研人員來說，這是新一輪的挑戰。
近日，西北工業大學Di Lan等人采用水熱法合成了新型硅酸鈷包覆的雙層中空玻璃微球（HGMs），并對其進行了煅燒。通過對樣品的物相、形貌和電磁波吸收特性的詳細表征，發現磁損耗成分Co2SiO4和介電損耗成分中空玻璃微球
HGMs
的結合在電磁波的引入和耗散中起著重要作用。在討論部分，作者重點比較了復合材料和單組分材料，并詳細說明了新型復合材料結構對材料穩定性和電磁波吸收性能的影響。當匹配厚度(d)為2.9毫米時，HGMs@Co2SiO4的最小反射損耗(RLmin)達到 -46.7分貝，相應的有效吸收帶寬(RL < 10分貝)為5.92 GHz。這種新型雙殼HGMs@ Co2SiO4將成為新一代穩定、輕質、高效電磁波吸收材料的優秀候選材料。這項研究工作以“Double-shellhollow glass microspheres@Co2SiO4 for lightweight andefficient electromagnetic wave absorption”為題發表在國際著名期刊《Chemical Engineering Journal》上。
展開 [VirtualLab] 平面電磁波散射中麥克斯韋方程組的米氏解
摘要
平面波對于任意半徑和折射率的球形粒子的吸收和散射問題，米氏解是嚴格的麥克斯韋求解器。其得到的散射效應十分依賴于粒子的大小。根據其特性，散射可以分為瑞利散射、米氏散射和幾何光學散射。VirtualLab Fusion中包含了完整的米氏解。該案例研究了不同半徑的球形粒子散射。
模擬任務
散射分類
非吸收球形的散射（摻雜硅）
吸收球形的散射（金）
在VirtualLab Fusion中查看
VirtualLab Fusion技術
文件信息
《電磁波時域有限差分方法（第二版）》
【目錄】
第一章 引言
1.1 FDTD的發展及應用
1.1.1 對FDTD的簡單回顧
1.1.2 FDTD的應用
1.2 FDTD基本點及FDTD計算區
1.3 本書目的和內容
參考文獻
第二章 麥克斯韋方程及其FDTD形式
2.1 麥克斯韋方程和Yee元胞
2.2 直角坐標中的FDTD：三維情形
2.3 直角坐標中的FDTD：二維情形
2.4 直角坐標中的FDTD：一維情形
2.5 介質界面電磁參數選取
參考文獻
第三章 數值穩定性
3.1 時間離散間隔的穩定性要求
3.2 Courant穩定性條件
3.3 數值色散對空間離散間隔的要求
3.4 差分近似后的各向異性特性
參考文獻
第四章 吸收邊界條件
4.1 Engquist Majda吸收邊界條件
4.2 一階和二階近似吸收邊界
4.2.1 一階近似吸收邊界條件
4.2.2 二階近似吸收邊界條件
4.3 二維Mur吸收邊界條件的FDTD形式
4.4 二維角點的處理
4.5 三維吸收邊界條件及其FDTD形式
4.6 棱邊及角頂點的特殊考慮
4.7 Berenger完全匹配層
4.7.1 PML介質中的波方程
4.7.2 平面波在PML中的傳播特性
4.7.3 平面波在PML/PML介質分界面的傳播
4.7.4 介質層設置
4.7.5 指數差分
4.7.6 點源輻射的檢驗
4.7.7 三維情形PML介質中的波方程
4.8 各向異性介質完全匹配層
4.8.1 平面波入射到單軸介質時的反射和透射波
4.8.2 無反射條件
4.8.3 PML中的FDTD計算步驟
4.8.4 PML的設置
參考文獻
第五章 FDTD中常用激勵源
……
第六章 近—遠場外推
第七章 網格剖分技術
第八章 FDTD計算平面界面時的電磁波傳播
第九章 FDTD計算電磁散射
第十章 FDTD計算天線輻射
第十一章 FDTD的若干進展
附錄一 傅立葉變換及離散傅立葉變換
展開 