计算光环谐振器的光谱特性

Brianne Christopher 2018年 8月 14日

如果你曾经参观过伦敦圣保罗大教堂内的华丽穹顶,想必你当时说话的时候一定非常谨慎。瑞利勋爵大约于 1878 年发现,拱形结构呈现出一种有趣的声学现象,即在穹顶的一边小声说话,在其他位置可以听得非常清楚。瑞利将这种效应称为“回音廊”。令人惊讶的是,你完全可以在另一个科学领域观察到类似的效果:光波在光环谐振器中传播。

什么是光环谐振器?

像滤光器一样,光环谐振器 是只允许一个狭窄频带通过的波导结构,这种结构也能用于耦合方向相反的两个光波导。典型的光环谐振器包含两部分:

  1. 直波导
  2. 环形波导

波导芯紧密地放置在一起,光波从一个波导耦合到另一个波导。

光环谐振器模型
伦敦圣保罗大教堂的回音廊照片。

光环谐振器(左)表现出类似于回音廊(右)的效果,但是用光波代替声音。右:伦敦圣保罗大教堂内的回音廊。图片由 Femtoquake 自行拍摄,在 CC BY-SA 3.0许可下使用,通过 Wikimedia Commons 分享。

在硅光子学领域,光环谐振器表现出用作集成光路元件的潜力。由于谐振器的折射率相差极大,它可以产生极小的光路。此外,还可以将两个或多个光环谐振器相结合来开发结构紧凑、损耗最低且易于集成到现有网络的高阶滤光器。光环谐振器的其他应用还包括可调谐机械传感器、生物传感器、光谱学,以及量子光子研究

在光环谐振器中,光沿着环路传播,并由于全内反射(total internal reflection,简称 TIR)而保留在波导中。全内反射是一种光学现象,即光线不会折射通过它们触及的介质边界。

 

光在光环谐振器中的传播。

由于只有少数波长在这些环路中达到谐振,因此光环谐振器被用作滤波器。谐振腔耦合器的传输损耗可以对波在传播过程中产生的损耗起到平衡作用,对陷波滤波器来说非常理想。

在 COMSOL® 软件中模拟光环谐振器

波动光学模拟软件有助于评估光环谐振器的光谱特性。例如,你可以使用 COMSOL Multiphysics® 软件和附加的波动光学模块,模块中包含预定义的电磁波,波束包络接口。此接口用于模拟光波在许多波长上的传播,你可以利用其中的分析结果来评估光环谐振器作为陷波滤波器的性能。

电磁波,波束包络 接口基于波束包络法,这是一种数值方法,用于分析大型光学仿真中的慢变电场包络。与传统光学分析方法相比,波束包络法不需要一套细化的网格即可解析波的传播,这使得此方法成为一种计算高效的选择。

用表面图显示相位的光环谐振器模型。
在两个波导之间的边界上发生相位跃变的光环谐振器(y = 0)。

在直波导与环形波导之间的边界上存在不连续的相位近似。通过执行场连续性 边界条件,可以处理这种相位不连续以及场包络的相位不连续。该边界条件使得电场和磁场在边界上具有连续的切向分量,即使存在相位跃变也是如此。

计算仿真结果

为了计算模型的光谱特性,你可以使用波动光学特有的模拟特征来运行边界模式分析和频域研究。下图为谐振波长的场图。这些结果表明,当直波导中的场与环形波导中的场发生干涉时,它们是异相的;因此,直波导中的出射场几乎为零。由于几乎没有光从直波导传输,所以可以认为这个光环谐振器是设计良好的陷波滤波器。

显示电场可视化效果的光环谐振器模型。

你可以测试模型的参数来设计一个改进的光环谐振器,使其完全阻挡谐振波长的光,甚至可以通过构建 App 来高效运行多个分析.

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