光子晶体谐振腔滤波器：基于Lumerical的仿真模拟研究

波分复用技术是大容量光纤通信网络的关键技术，而滤波器是实现波分复用的关键器件。教程介绍利用FDTD搭建二维光子晶体谐振腔滤波器模型，并通过仿真求解特定尺寸构型下的谐振腔共振模式以及带宽等参数。本案中仿真260nm厚度下的嵌有三角晶格阵列的纳米孔二维光子晶体谐振腔，仿真波长1000~1400nm。

1. 构建模型

添加三角晶格的纳米孔：

纳米孔的构造通过structure脚本实现。此处略去了中心两圈的纳米孔，引入光子晶体缺陷，从而有效形成谐振腔。三角晶格常数为366nm。孔半径为135.42nm。

2. 添加网格

设置网格参数，如下图所示：

注意本案中由于采用三角网格，便于操作与剖分，将默认正方网格属性更改为菱形，如下

点击该控件，继续编辑，参数设置如下

60是设置相交的两条网格线的夹角，从而形成菱形。注意网格尺寸这里与晶格大小保持一致，均为366nm。

3. 设置仿真区域FDTD

点击控件region，添加FDTD区域

设置FDTD参数，如下

上图FDTD 边界条件设定中，特定在 z min bc 处设为symmetry，对称模式，因为整个模型在z方向是对称的，因此为了节约计算机仿真时间，可以这样便捷设定。

4. 添加偶极子云dipole cloud

Lumerical 一大优势是很多分析方法可以通过代码实现。上述控件添加了交互界面，实现偶极子云的添加，输入光源。通过对话框输入可编辑变量，变量的属性，变量的值等。这些变量后续在代码中需要调用。注意这里的偶极子位置是随机分布的，通过运行生产代码，从而形成偶极子云。

5. 添加谐振模式探测器

同样点击该控件，生成代码编辑交互对话框，重命名该集合。注意模式探测器区域大小与偶极子云区域大小保持一致。由于本案中谐振腔具有对称性，因此探测器覆盖区域仅需覆盖腔体的1/4即可。

6. 添加模式监控器

依然点击该控件添加自由编辑输入注意，通常该监控器是在运行第一遍出现共振峰位的时候再继续添加分析的，监控器相关参数设置如表中，各个频率实际上是有前面的结果知道的。本监控器的功能是实现特定频率或波长下的模式场图。如果需要知道各个场图，需要再运行一遍仿真。

7. 分析运行结果

点击Run开始运行仿真。待仿真结束后，可以右击各控件，

查看可输出的结果。如谐振谱线图：可利用峰位计算带宽。

右击mode监控板，查看谐振模式：

8. 透射谱计算即优化

添加透过率监控板，检测计算透射结果，如下：

优化谐振腔，添加波导通道，删去通道上的纳米孔

优化透射谱线如下：

注意，本案只采样计算了该波段内的41个点，用户可自行选取更多采样计算点，使得计算谱线更加光滑流畅。

  特定优化光子晶体谐振腔结构可以有效地实现特定波段的滤光作用。

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