lumerical——布拉格光栅(Bragg gratings)(1)

发布于:2025-07-28 ⋅ 阅读:(12) ⋅ 点赞:(0)

一、结构

        波导布拉格光栅本质上是一种"光学波长筛子"——通过在直波导(如光纤或集成光路)内部制造纳米级周期性折射率调制(相当于每隔固定距离刻一道"光学刻痕"),使得当光传播时,只有满足布拉格条件(λ=2nΛ)的特定波长会因相干叠加被强烈反射,就像面对一面智能镜子,而其他波长则直接透射。这种周期性结构形成了一维光子带隙(即针对特定波长范围的光禁止传播),其原理类似于晶体对X射线的布拉格衍射,但限制在一维空间实现。作为介电镜(不依赖金属反射的光学反射镜),它能以极高效率(>99%)和窄带宽(可小于0.1nm)实现波长选择,因此成为波分复用系统中的关键滤光片、激光器的波长锁定元件以及高精度传感器的核心部件,其性能由光栅周期Λ、折射率调制深度Δn和作用长度L共同决定。

主要用作"光学筛子",例如:

  • 在光纤通信中分离不同颜色的信号
  • 在激光器中锁定特定波长
  • 在传感中检测波长变化(如温度/应力测量)

构建二氧化硅衬底

为什么要选择二氧化硅呢?

(1)​​光学波导衬底​

  • ​低光学损耗​​:在通信波段(如1550nm)损耗极低(<0.1dB/cm),避免干扰光栅性能仿真

  • ​折射率匹配​​:n≈1.44(@1550nm),与硅(n≈3.48)形成强光场约束,适合构建高对比度波导结构

(2)​​热力学稳定平台​

  • ​热膨胀系数低​​(0.5×10⁻⁶/°C):保证光栅在温度变化时周期Λ稳定性

  • ​熔点高​​(~1700°C):兼容高温工艺(如硅光栅的退火处理)

(3)​​化学钝化层​

  • 保护光栅结构免受环境腐蚀(尤其对氢敏的光纤光栅)

注:通常取≥2μm以满足光场衰减至<1%(防止衬底泄漏模),本例选择的是2um

材料设置均为

首先强调一下波导折射率差的重要性:

布拉格光栅的反射本质是​​分布式反馈​​:

  • 每个折射率突变点(Δn界面)都会产生微弱反射(约10⁻⁶量级)
  • 当所有反射光满足 ​​相干叠加条件​​ 时,特定波长(λ_B)被强烈反射
  • ​折射率差Δn决定了反射强度

那为什么本例材料都是一样的?还怎么实现波长选择性反射?

本例中​​折射率差是通过几何结构隐式实现​

  • ​实际物理器件​​:布拉格光栅通过周期性改变材料折射率(如紫外曝光使光纤纤芯Δn≈10⁻⁴~10⁻³)实现反射。

  • ​仿真简化​​:在FDTD中,可通过​​周期性改变波导宽度​​(如图中阶梯状结构)等效实现折射率调制:

    • ​宽部​​:有效折射率n_eff较高(更多光场约束在硅中)

    • ​窄部​​:n_eff较低(更多光场进入SiO₂包层)

    • ​效果​​:形成等效的折射率周期Δn_eff,满足布拉格条件 λ=2(n_eff)Λ

为啥选择这个材料呢?

1. ​​色散效应(Dispersive)的精确建模​

  • ​普通硅模型​​:通常假设折射率为固定值(如n≈3.48@1550nm),忽略其随波长变化的特性。

  • ​Dispersive模型​​:通过 ​​Sellmeier方程​​ 或 ​​Lorentz模型​​ 描述折射率的波长依赖性,例如:

    • 在1.15–1.8μm波段,硅的折射率会随波长变化(如1550nm→3.48,1310nm→3.51)。

    • 这对于仿真布拉格光栅、微环谐振器等波长敏感器件至关重要,避免因忽略色散导致谐振峰偏移或带宽计算错误。

2. ​​无损耗(Lossless)假设的适用场景​

  • ​普通硅模型​​:可能包含默认的吸收损耗(如载流子吸收或双光子吸收效应)。

  • ​Lossless模型​​:假设材料无吸收(消光系数k=0),适用于:

    • ​低功率仿真​​:当光功率不足以激发非线性效应(如双光子吸收)时,简化计算。

    • ​无源器件分析​​:如波导传输、耦合器等,无需考虑热效应或光损伤。

    • ​注意​​:若需模拟高功率场景(如硅光调制器),需切换至含损耗模型(如"Si (Silicon) - Dispersive & Lossy")。

二、添加FDTD

y span为啥这么大?

  1. 波导模式完整捕获​

    • 典型硅波导(如220 nm×450 nm)的模场直径约1–1.5 μm,2 μm跨度确保:
      • 场衰减至背景噪声水平(避免截断效应)
      • 留足PML吸收层空间(图中y方向用8层PML)

​选项​ ​工作原理​ ​优点​ ​缺点​
​Auto Non-Uniform​ 软件自动识别结构特征(如边缘、界面),在关键区域加密网格,均匀区域保持稀疏 智能平衡精度与速度 局部加密策略不可控
​Custom Non-Uniform​ 用户手动定义加密区域和步长(如指定某坐标范围网格步长5nm) 精准控制关键区域分辨率 配置复杂,计算量大
​Uniform​ 整个仿真区域采用固定网格步长(如全局0.1μm) 结果绝对可重复,设置简单 内存消耗大,效率低

为啥用Bloch边界条件?

  • ​周期性匹配​​:精确模拟无限周期性结构(如光栅的重复单元),避免PML对周期性的破坏
  • ​波矢控制​​:通过设置 kx, ky, kz 定义布洛赫波矢(对应光子能带计算中的k点)
  • ​计算效率​​:仅需仿真单个周期单元,大幅减少计算量

可以看到y方向是用了8层PML

​层号​ ​σ/κ值​ ​作用机制​ ​类比​
第1层 最小 缓慢开始吸收,避免阻抗突变 吸音棉表面最柔软
... 渐变增大 逐步增强吸收 吸音棉密度向内增加
第8层 最大 完全衰减残余场,终止传播 最内层高密度隔音材料
​层数​ 吸收效果 计算量 适用场景
4层 基本吸收(-30dB) 最小 快速预览,低精度需求
​8层​ 高吸收(-60dB) 适中 常规硅光子器件(本例选择)
16层 极致吸收(-90dB) 最大 超低反射需求(如激光腔仿真)

​1. x方向波矢(kx=9.81748e+06 m⁻¹) 的物理意义​

  • ​本质​​:波矢 ​​k​​ 表示光波在周期性结构中的相位变化速率,单位为 ​​m⁻¹​​(每米的弧度)。

  • kx = 2π / Λ   # Λ为结构周期(图中Λ≈640nm)
         = 2π / (640e-9) 
         ≈ 9.81748e+06 m⁻¹

  • 告诉仿真软件:光波每前进一个周期(Λ),其相位增加 ​​2π​​(即波形完全重复)。

2. 为什么单位选 SI?​

​选项​

​单位制​

​适用场景​

​图中选择原因​

SI

国际单位(m⁻¹)

直接关联实际尺寸(如Λ=640nm→k=9.81e6 m⁻¹)

用户需输入实际波矢值,便于物理对照

bandstructure

归一化单位(2π/Λ)

能带计算时简化k范围(0~1对应0~π/Λ)

未选,因当前为单点k值分析,非能带扫描

3. bandstructure 选项的作用​

  • ​若勾选​​:

    • kx/ky/kz的取值范围自动归一化为 ​​0到1​​(对应实际k值为0到π/Λ)。

    • 专门用于​​能带计算​​(扫描k值绘制ω-k曲线)。

  • ​图中未勾选​​:
    说明当前是​​单点k值分析​​(如固定入射角下的反射谱),而非全波段能带计算。

4. ky 和 kz 为何留空?​

  • ​y/z方向非周期性​​:
    若结构仅在x方向周期性重复(如布拉格光栅),y/z方向需用PML吸收边界,无需布洛赫条件。

  • ​特殊需求​​:
    若结构在y/z方向也有周期性(如三维光子晶体),则需填写对应k值。

​(1) z方向10nm的合理性​

  • ​220nm硅层​​:10nm网格相当于将高度分为22份,足以解析:

    • 基模场分布(峰值区)

    • 顶部/底部SiO₂界面的倏逝场(衰减长度~100nm)

​(2) y方向5nm的高精度​

  • ​450nm波导宽度​​:5nm网格(宽度方向90份)可精确模拟:

    • 侧壁倾角效应(如85°刻蚀角)

    • 边缘散射损耗(对偏振敏感)

​(3) x方向不覆盖​

  • 依赖auto non-uniform自动优化,优先加密:

    • 光栅周期边缘(如果存在)

    • 模式转换区(如锥形耦合器)

当前大跨度x方向设置是为了:

  1. ​精确模拟多周期光栅​​的集体反射效应
  2. ​隔离边缘数值干扰​​,确保中心区域(光栅主体)的仿真准确性
  3. ​兼容参数化扫描​​(通过相对坐标保持结构居中)

三、添加光源

注:number of trial modes=20是搜索上限,实际模式数由波导物理特性决定。

为啥光源被放置在左侧波导内部而非两波导中间?

​(1) 物理真实性​

  • ​现实中的耦合器​​:光总是从​​一个输入波导​​进入(如图中左侧波导),通过倏逝场耦合到相邻波导,而非凭空在两波导中间产生光。

  • ​仿真一致性​​:光源位置需还原真实实验场景(如光纤连接左侧波导入射)。

​(2) 模式选择性​

  • ​单波导激发​​:将光源放在一侧波导内,可精确控制激发的是​​左侧波导的基模​​(如TE₀模式)。

  • ​中间放置的问题​​:

    • 若光源放在两波导中间,会同时激发两个波导的混合模式(非物理状态);

    • 导致耦合效率计算失真(无法区分输入和耦合功率)。

光源会发射 ​​1520nm至1560nm范围内的光​​(覆盖C波段通信波长)

四、添加分析组

以下代码作用是创建多个随机分布的时间监视器(time monitors)​​,目的是分析光子晶体或周期性结构的能带特性(bandstructure) 

deleteall;
##############################################
# Bandstructure
# This script creates n randomly positioned monitors
#
# Input properties
# x,y,z span:     The span of the random cloud of monitors
# n monitors:     The number of monitors
#
# Tags: bandstructure time monitors band gap photonic crystal resonant frequencies
#
# Copyright 2012 Lumerical Solutions Inc
##############################################

# simplify variable names by removing spaces
x_span = %x span%;
y_span = %y span%;
z_span = %z span%;
n_monitors = %n monitors%;

# Set the random number generator seed.  Change this values
# to get different random orientation of objects
randreset(123); # 固定种子为123,确保每次运行脚本生成的随机位置一致(结果可重复)。

for(i=1:n_monitors) {  
  addtime;
  set("name","m"+num2str(i));
  set("x",(rand-0.5)*x_span); # x位置:[-0.5x_span, 0.5x_span]
  set("y",(rand-0.5)*y_span); # y位置:[-0.5y_span, 0.5y_span]
  set("z",(rand-0.5)*z_span); # z位置:[-0.5z_span, 0.5z_span]
}
​代码变量​ ​图中参数位置​ ​值(示例)​ ​物理意义​
x_span = %x span% User properties → x span 0.32 μm 监视器随机分布的x方向范围
y_span = %y span% User properties → y span 0.5 μm y方向范围(通常为波导宽度方向)
z_span = %z span% User properties → z span 0.4 μm z方向范围(通常为波导高度方向)
n_monitors = %n monitors% User properties → n monitors 10 监视器数量(越多统计越准,但计算量越大)

set("x",(rand-0.5)*x_span); 这句代码解释:

  • rand 是Lumerical内置函数,会生成一个 ​​0到1之间的随机数​​(比如0.2、0.7等)。
  • ​减去0.5​​ 是为了把范围从 ​​[0,1]​​ 转换成 ​​[-0.5, 0.5]​​:
    • 原来:0 → 1
    • 现在:-0.5 → +0.5
  • ​直接rand​:监测器只会出现在 ​​正半轴​​(0到x_span),不符合对称需求。
  • rand-0.5​:让监测器能均匀分布在 ​​中心两侧​​(-x_span/2到+x_span/2)。

需要注意的是

勾选这个

勾选此选项后,该分析组(bandstructure)将被标记为​​“构造组”​​,意味着它仅在仿真前执行一次(通常用于创建几何结构或初始化设置),而不会在每次参数扫描或优化时重复运行。

##########################################################################
# Bandstructure
# This script is to be used in bandstructure calculations.  
# 
# Input properties
# f1, f2: min, max frequency of interest
# apod width: apodization width as a fraction of total simulation time
# apod center: center location of the apodization filter as a fraction of 
#              total simulation time
#
# Output properties
# spectrum: result from the summation of ffts of time signals from each 
#     monitor - this is a spectrum with peaks at resonant frequencies
#
# Tags: bandstructure time monitors band gap photonic crystal resonant frequencies
#
# Copyright 2012 Lumerical Solutions Inc
###########################################################################

# simplify variable names by removing spaces
apod_width = %apod width%; # 读取"apod width=0.125"(高斯窗宽度)
apod_center = %apod center%; # 读取"apod center=0.5"(窗函数中心位置)
n_monitors = %n monitors%;

if (f1<=0) { f1 = f2/10000; }  # don't allow f1=0, as this causes a minor problem:  f=0 corresponds to lambda=infinity, and the infinity causes problems in the data visualizer.

t = getdata("m1","t"); # 从第一个监视器(m1)读取时间轴数据
fs = 0; # 初始化频谱累加器

# 逐个读取每个监视器记录的电场随时间变化的数据
for(j=1:n_monitors) { # 遍历所有监视器(m1到m10)
  for (component_i=1:3) { # loop over field components # 循环3个电场分量(Ex, Ey, Ez)
    if (component_i==1) { component="Ex"; }
    if (component_i==2) { component="Ey"; }
    if (component_i==3) { component="Ez"; }
	
    signal = pinch(getdata("m"+num2str(j),component)); # 获取该分量的时域信号

    # 加窗函数,消除仿真开始/结束时的突变噪声,让频谱分析更准确
    signal = signal*exp( - 0.5*(t-max(t)*apod_center)^2/(apod_width*max(t))^2);

    # 将时域信号转换为频域,abs()^2表示计算功率谱
    f = linspace(f1,f2,5000); # 生成140-240THz的5000个频率点
    fs = fs + abs(czt(signal,t,2*pi*f))^2; # 对信号做FFT并累加到总频谱
  }
}

# create data set
spectrum = matrixdataset("spectrum");
spectrum.addparameter("f",f,"lambda",c/f); # 添加频率和波长列
spectrum.addattribute("fs",fs); # 添加频谱强度数据

代码部分 图中参数 用户设置值 作用
apod_width apod width 0.125 控制高斯窗的宽度(越小越聚焦中间数据)
apod_center apod center 0.5 窗函数中心位置(0.5=正中间)
f1f2 f1, f2 140THz, 240THz 分析的频率范围

(1)signal = pinch(getdata("m"+num2str(j),component)); 

pinch()的具体功能​

  • ​输入​​:多维数组(如从监视器读取的电场数据可能是3D数组:时间步×空间点×分量)
  • ​输出​​:移除所有长度为1的维度,返回紧凑格式的数组
    • 例如:若原始数据形状为(100,1,1)(100个时间点),pinch()后变为(100,)

确保signal变为纯一维数组,避免后续FFT计算因维度问题报错。

(2)最终输出一个表格,包含两列:

  • f:频率(140-240THz)
  • fs:对应频率的光强度(峰值即光子晶体的允许通过频段)

(3)上述代码的工作流程:

1. 参数初始化阶段​

  • ​从GUI界面读取输入参数​​(对应图中Variables标签页):

    • f1=140 THzf2=240 THz → 定义目标频率范围(约1250nm~714nm波长)

    • apod_width=0.125apod_center=0.5 → 设置高斯窗函数参数,用于抑制时域信号截断噪声

    • n_monitors → 监视器数量(图中未显示值,通常≥10)

​2. 数据采集阶段​

  • ​遍历所有时间监视器​​(m1mN):

    • 逐点读取三个电场分量(ExEyEz)的时域信号

    • ​物理意义​​:记录光子晶体中不同空间位置的光场随时间演化

​3. 信号预处理阶段​

  • ​加窗处理(Apodization)​​:

    • ​目的​​:通过高斯窗函数抑制仿真初始/终止阶段的非物理振荡(Gibbs现象)

    • ​参数控制​​:

      • 窗宽 apod_width=0.125 → 控制衰减速度(值越小,窗口越窄)

      • 中心 apod_center=0.5 → 窗函数对称中心(50%仿真时长位置)

​4. 频谱分析阶段​

  • ​快速傅里叶变换(FFT)​​:

    • 使用线性调频Z变换(czt)计算频域响应,优于传统FFT的分辨率

    • 频率采样点:f = linspace(f1,f2,5000) → 在140-240THz生成5000个均匀间隔点

  • ​功率谱累加​​:

    • ​优势​​:通过多监视器统计平均,提高信噪比

​5. 结果输出阶段​

  • ​生成结构化数据集​​:

    • ​输出格式​​:矩阵数据集,可直接用于绘制能带图或导出至其他工具

model分析组:

​类型(Type)​ ​物理意义​ ​典型应用场景​ ​示例(图中Value)​ ​单位(Unit)​
​Frequency​ 光的振荡频率 定义仿真分析的频率范围 f1=140f2=240 THz(太赫兹)
​Number​ 无量纲的纯数值 控制算法参数或归一化变量 apod_center=0.5 (无)
​Length​ 几何尺寸的长度量 设置波导宽度、结构周期等物理尺寸 ax=0.32w=0.05 μm(微米)

 脚本是用于 ​​配置周期性结构(如光子晶体或光栅)的仿真参数​​,主要分为 ​​FDTD仿真区域设置​​ 和 ​​能带分析(bandstructure)参数设置​​ 两部分

# set period and bloch vector of simulation
name="FDTD";
setnamed(name,"x span",ax); # 设置仿真区域x方向跨度(ax为用户定义的周期长度)
# 布洛赫波矢单位设为国际单位(m⁻¹)
setnamed(name,"bloch units","SI");        # we generally use bandstructure units, but for the simulation region, it's 
# 计算x方向波矢kx(SI单位:kx*2π/ax)
setnamed(name,"kx",kx*2*pi/ax);             # most convenient to use SI units becuase kx and ky can have different 

# set period and apodization settings for banstructure analysis object
name="bandstructure";
setnamed(name,"x span",ax); # 能带分析区域与仿真区域周期一致
setnamed(name,"apod center",apod_center); # 设置加窗函数中心位置
setnamed(name,"apod width",apod_width); # 加窗宽度
setnamed(name,"f1",f1); # 最小分析频率
setnamed(name,"f2",f2); # 最大分析频率

select('w1');
set('y span',0.5e-6-w); # 设置波导w1的宽度为0.5μm - w

select('w2');
set('y span',0.5e-6+w); # 设置波导w2的宽度为0.5μm + w

 

下列代码是用于 ​​从能带分析结果中提取关键光学参数​​(如带宽、中心波长、耦合系数等) 

spectrum = getresult('bandstructure','spectrum'); # 获取能带分析结果
fs = spectrum.fs; # 频谱强度
lambda = spectrum.lambda; # 波长数组(单位:m)

bandwidth = matrix(length(w));  # 初始化带宽数组
center_wavelength = matrix(length(w)); # 初始化中心波长数组

temp = fs(1:length(lambda)); # 提取当前频谱数据
ind = findpeaks(temp,2); # 找到前两个显著峰值的位置索引
bandwidth = abs(lambda(ind(2))-lambda(ind(1))); # 计算带宽(Δλ)
center_wavelength = lambda(ind(1)) + bandwidth/2; # 计算中心波长(λ₀)

ng = 4.3874; # 群折射率
kappa = pi*ng*bandwidth/(center_wavelength^2); # 计算耦合系数
​变量​ ​物理意义​
bandwidth 光子带隙/谐振峰带宽
center_wavelength 中心波长
kappa 光栅耦合系数

 五、添加参数扫描

定义了一个 ​​波导宽度偏移量(w)的参数扫描任务。Ranges(范围扫描)生成5个均匀分布的w值,输出带宽(bandwidth)和耦合系数(kappa)随w的变化规律

​选项​ ​含义​ ​适用场景​ ​示例​
​Ranges​ ​范围扫描​​:在起始值(Start)和终止值(Stop)间生成均匀间隔的多个值 需要连续参数优化(如带宽随宽度变化曲线) w=0.01, 0.02, 0.03, 0.04, 0.05 μm
​Values​ ​离散值扫描​​:直接输入一组不连续的具体数值 测试特定参数组合(如工艺允许的固定尺寸) w=0.01, 0.03, 0.05 μm(非均匀分布)
参数​ ​图中值​ ​物理意义​
​w (Start)​ 0.01 μm 波导宽度偏移量的最小值(基准宽度0.5μm → 实际宽度0.49μm)
​w (Stop)​ 0.05 μm 波导宽度偏移量的最大值(实际宽度0.55μm)
​Number of points​ 5 扫描点数(点数越多曲线越平滑,但计算量越大)

六、运行

分析:

带宽(bandwidth)与波导宽度(W)的关系​

  • ​变化趋势​​:带宽(Δλ)随W增加呈​​非线性上升​​,在W<1.5e-8 m时增速显著,W>3e-8 m后趋于平缓(上凸曲线)。

  • ​物理机制​​:
    波导宽度增大导致模场约束减弱,光子带隙边缘的群折射率(ng​)变化率降低,根据 Δλ∝1/ng​,带宽响应逐渐饱和。

  • ​理论依据​​:
    光子晶体带隙宽度与模式色散的二阶导数相关(∂2ω/∂k2),宽波导中色散曲线平坦化,抑制了带宽的快速增加。

 运行结果存疑,官网案例重新下载也是运行有误


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