教科書上 Fabry-Perot cavity 反射穿透率 實作問題

fdtd

#1

書上Fabry-Perot諧振特性說: 給予一broadband光源, 當入射波長等於諧振波長時,
穿透率有極大值而反射率有極小值. 對於其他波長則穿透率非常小而反射率相當大.

(1)
實作上以一對dielectric DBR反射鏡(無吸收, index只有Real part)形成Fabry-Perot cavity, 給予一波長範圍有0.1um的plane wave光源, 最後於系統前後各置放一Power monitor 觀測其穿透率 T 與反射率 R. 模擬時入射方向(縱向)z軸我給予PML邊界條件, 橫向(xy)我都給予periodic邊界條件. 如下圖R(上), T(下)
應該是符合預期?

(2)
想請教為什麼當模擬時入射方向(縱向)z軸依舊PML邊界條件, 但橫向(xy)我給予PML邊界條件時, 我的結果有幾點疑問

a. 為什麼反射率譜會變得不對稱呢? 因為透射譜還是對稱! 請見下圖


b. 會不會是暫態結果? 因此我嘗試開啟Power monitor裡的Apodization (Start), 卻發現不同Apodization center time 卻給出差異甚大的反射譜? 如下圖. 但是穿透譜卻不隨Apodization center time改變? 為什麼??


c. 在這個例子當中, 我該如何正確地決定我的反射譜呢? 因為一個實際的DBR反射鏡是有確定的大小的,
橫向使用periodic邊界條件並不對應到一個實驗實做出來的micropillar cavity, 但是實驗上卻是可量到近乎對稱的反射譜.

謝謝您!


#2

A1:我测试了,结果正确;
A2:一般来说,平面波必须与周期性边界联合使用,否则PML将平面波截断产生衍射导致结果错误;
A3:如果DBR反射鏡相对波长大很多,而你又不是要研究DBR反射鏡边缘的特性,就应该用周期性边界条件。


#3

感謝回覆! 會這樣問的原因是用兩塊DBR實作的cavity, 除了縱向會有洩漏的光子之外很多時候橫向也會有一些輻射模態(radiation mode)造成這個cavity的Q值減少更多, 所以模擬時我會用3D FDTD在一個更大的立方範圍內包圍我的器件並在cavity處放置Q值分析組. 總之您提及的重點應該是平面波源的使用需搭配periodic邊界, 那如果我改用mode source去量測反射譜是不是就不用限制在periodic的邊界條件上了呢?

感謝您!


#4

是的,周期性边界要求不仅结构是周期的,而且光源也必须拥有周期性(无限大物体可以认为是周期物体)。

当使用模式光源时,你的结构应该不是周期的,因此只能用PML。不过,要注意计算机内存需要,可以用合适的对称性边界来减少内存需要,我准备写一个帖子。


#5

我最近也在做一个F-P腔激光的仿真,想仿真它的模式体积、模式数、Q 值和能量密度等参数,但是我在官网上没有找到类似的F-P腔的例子,不知道能否提供一个?
最简单的模型


#6

网上有例子:
计算冷腔Q、模式体积等,参见
Cavities and Resonators
计算有增益的腔或者激光,参见
Gain and Laser

软件计算出最基本的电场、磁场,通过监视器可以得到电场、磁场以及空间分布的颇印庭矢量等物理量。

模式体积有专门的分析组可以选用;如果要计算横模的模式数,一般要用MODE Solutions中的FDE, 当然FDTD Solutions中的模式光源也可以。纵模的话你可以通过看场分布得到。


#7

我看了网上的例子,自己建了个模型,在腔体的一端覆盖上了石墨烯改变石墨烯的参数,但是在得到的频域数据中得到的相应的变化,但是文献中有报道说覆盖上石墨烯会对激光特效有所控制。但是我的没有什么变化,能否告诉我可能的原因?

参考程序
0.2 G CU taolun.fsp (1.4 MB)


#8

你说的对激光特效有所控制,应该是指这个端面的反射率会变化吧?
如是,我做了如下测试:
1:不同化学势能下电导率的确变化了;graphene_different potential.lsf (481 字节)
2:用XZ面折射率监视器,的确看到石墨烯材料;
因此材料应该没有问题;

我用不同化学势能仅仿真这个端面,发现反射率变化非常小,在10的-4次访量级,所以你看不到差别。同时我又做了没有Graphene的仿真,结果与有Graphene时差别很大:

我只能猜测此结构的反射率对化学势能变化不敏感,可能的原因是下面的铜将透射的全反射回去了。你可以测试其它结构。graphene_potential.fsp (2.3 MB)