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lumerical——布拉格光栅（2）

news 2025/8/4 18:19:05

一、创建结构

先创建波导

记得先给波导材料导入

为啥不用材料库原有的，要用这个？

色散模型（Dispersive）
该材料包含精确的波长相关折射率数据（如Sellmeier方程），能准确模拟硅在近红外波段（如1550nm）的色散特性。普通硅材料（如"Si - Silicon"）可能仅使用固定折射率（如n=3.48），导致以下问题：
- 无法反映折射率随波长的变化（如1310nm vs 1550nm的折射率差异）
- 在宽光谱仿真（如超短脉冲）中会引入误差
无损耗假设（Lossless）
标签中的"Lossless"表示忽略硅的本征吸收损耗（适用于短距离器件仿真）。若需模拟损耗，应改用"Si (Silicon) - Dispersive & Lossy"。

deleteall;
um = 1e-6;
width_short = %width short%;
width_long = %width long%;
wg_length = %wg length%;
io_wg_length = %io wg length%;
total_length = %total length%;
wg_height = %wg height%;
io_wg_width = %io wg width%;
total_width = %total width%;
material_wg = %material wg%;period = wg_length * 2;
N = (total_length - io_wg_length*2) / period;addpoly;
set("material", material_wg);
set("name", "input_wg");
vertices = [-io_wg_length, -io_wg_width/2;0, -io_wg_width/2;0, io_wg_width/2;-io_wg_length, io_wg_width/2;-io_wg_length, -io_wg_width/2];
set("vertices", vertices);
set("z span", wg_height);for(i=1:N) {x_start = (i-1)*period;if(i == N){vertices = [x_start, -total_width/2;x_start+wg_length, -total_width/2;x_start+wg_length, -total_width/2+width_long;x_start+period, -total_width/2+width_long;x_start+period, -io_wg_width/2;x_start+period+io_wg_length, -io_wg_width/2;x_start+period+io_wg_length, io_wg_width/2;x_start+period, io_wg_width/2;x_start+period, total_width/2-width_long;x_start+wg_length, total_width/2-width_long;x_start+wg_length, total_width/2;x_start, total_width/2;x_start, -total_width/2];addpoly;set("material", material_wg);set("vertices", vertices);set("z span", wg_height);break;}vertices = [x_start, -total_width/2;x_start+wg_length, -total_width/2;x_start+wg_length, -total_width/2+width_long;x_start+period, -total_width/2+width_long;x_start+period, total_width/2-width_long;x_start+wg_length, total_width/2-width_long;x_start+wg_length, total_width/2;x_start, total_width/2;x_start, -total_width/2];addpoly;set("material", material_wg);set("vertices", vertices);set("z span", wg_height);}vertices = [vertices; N*period, -io_wg_width/2];

注：addpoly的vertices要注意首尾相连！

创建基底

透明度0.5是为了方便观察波导

二、添加FDE

为啥dx不用重写？

物理意义：
- dy/dz 覆盖（0.01 μm）：通常用于波导截面（Y-Z平面）的精细剖分，确保模式场（如TE/TM模）在垂直方向的分辨率。例如：
  - 硅波导高度（~220 nm）和宽度（~500 nm）需要亚纳米级网格（如0.01 μm）捕捉倏逝场。
- dx 未覆盖：在光传播方向（X轴），场变化较缓慢（如布拉格光栅周期为数百纳米），可采用默认的粗网格（如0.1 μm），以平衡精度与计算量。
仿真效率：
若光传播方向（X）无剧烈场变化（如均匀波导），覆盖dx会导致不必要的网格加密，显著增加计算时间，而对结果精度提升有限

注：网格尺寸应满足 Δ≤λ/(10n)，其中 n 为材料折射率

这里需要注意的点：

（1）FDE所在的位置必须位于光栅的非扰动区（如齿间平坦处），避免模式畸变（若选在齿中心，neff会错误偏移），并且FDE的X坐标必须位于EME的仿真范围内！

（2）FDE的Y和Z，必须与EME的Y和Z完全一致！

EME需继承FDE计算的模式场分布，必须保证两者在Y/Z截面的网格对齐。
若EME的Y/Z范围小于FDE，会截断模式场，导致传播仿真失真。

三、添加EME

选项名称	维度与传播方向	物理意义	典型应用场景	计算效率
3D: X Prop	三维全空间 + 沿X轴传播	完整计算Y-Z截面模式场，严格模拟X方向传播	布拉格光栅、三维波导、光子晶体	较高（需Y-Z网格加密）
2D XY plane: X prop	二维XY平面 + 沿X轴传播（忽略Z）	假设Z方向无限均匀（∂E/∂z=0），仅分析XY平面模式	无限高平板波导、二维光子器件	高（比3D快5-10倍）
2D XZ plane: X prop	二维XZ平面 + 沿X轴传播（忽略Y）	假设Y方向无限均匀（∂E/∂y=0），专注XZ平面特性（如衬底耦合）	条形波导垂直耦合、倏逝场衰减分析	高（比3D快5-10倍）

可以看到，FDE的X坐标确实是在EME范围内，两者Y和Z完全一致

选项	作用	适用场景
none	不启用任何特殊处理，完全依赖物理模型计算	快速验证或调试时使用
make passive	强制系统为无源（忽略所有增益和损耗）	分析无源器件（如硅基波导）或排除材料非线性干扰时
conserve energy	严格保证能量守恒（通过自动调整数值算法）	高精度仿真（如谐振腔Q值计算）、需严格能量平衡的场景（默认推荐）