FDTD 教程：集成光子学环形谐振器

1. 概述：你将要模拟什么

光子环形谐振器 是一种紧凑型光学腔，由与一条或多条 直总线波导相邻放置的闭环波导构成。注入总线中的光可以通过倏逝场耦合进入环中。当 环的光程满足谐振条件时 （mλ = n_effL），构成性干涉会在腔内建立起循环功率。 非谐振波长则无法有效耦合，而是保留在总线波导中。

由于这种波长选择性行为，环形谐振器被广泛应用于 光子集成电路（PIC） 中，用于滤波、波分复用（WDM）、 调制、传感以及片上信号路由。它们出现在用于数据通信的硅光子平台中、 LiDAR 系统、生物传感器以及集成光信号处理器中。它们体积小、兼容 CMOS、 并具有很强的场增强效应，因此是现代集成光子学的基本构件之一。

在本教程中，我们使用 时域有限差分（FDTD） 方法研究一个具有代表性的环形谐振器结构（见 ??）。 我们将把一个导模注入直波导，观察其向环中的倏逝耦合， 并监测光功率随时间的演化。

该仿真将使你能够：

• 可视化时域场演化和功率密度快照，
• 观察腔内能量的建立与衰减，
• 使用时域探测器测量透射和耦合功率，
• 比较连续波（CW）与脉冲激励响应。

从数值角度看，该示例覆盖完整的 FDTD 计算栈：几何定义、 光源注入、完美匹配层（CPML）吸收边界、时间步进 以及探测器提取。从物理角度看，它可以帮助理解集成光子器件中的谐振、耦合强度 与腔寿命。

2. 创建新的仿真

打开 New simulation 窗口并选择 FDTD examples 类别 （??）。 然后选择 Integrated Photonics Ring Resonator 示例 （??）。 这将加载 ?? 中所示的主界面。

3. 熟悉主窗口

该器件显示在 Device structure 选项卡中的 3D 视图 中 （??）。 Terminal 选项卡会在执行过程中持续输出求解器信息，Output 选项卡列出 由仿真生成的文件（快照、探测器和配置导出文件）。

对于此示例，你将主要使用：

• Run simulation（▶）来启动 FDTD 计算。
• Terminal 选项卡，用于确认网格间距、时间步长、波长范围和 OpenCL 设备选择。
• Output 选项卡，用于打开快照和探测器文件。

4. 运行仿真

5. 查看功率密度快照

打开 Output 选项卡中的 snapshots/ 输出目录，以启动快照查看器。绘制 功率密度文件（例如 power_density.csv），并使用滑块逐步查看时间。 代表性快照如 ??– ?? 所示。

当光源注入总线波导时，你应当看到能量向耦合区传播，然后 耦合进入环中。后续快照显示环中的循环与建立过程，随后在 输出波导中形成稳定传输。

6. 查看探测器输出

此示例包含两个放置在输出波导上的探测器。从 Output 选项卡中打开每个探测器文件 （见 ??），并绘制 记录信号随时间的变化。两个探测器输出显示在 ?? 和 ?? 中。

在稳定的 CW 工作条件下，你应当预期探测器曲线在初始瞬态之后趋于某个常数值。 如果你看到持续的拍频或漂移的基线，这通常意味着：（i）激励是宽带的（并非真正的 单频），（ii）边界/端口存在反射，或（iii）几何分辨率不足引入了色散。

7. 编辑光源：CW 与脉冲激励

打开该仿真的光源编辑器，并找到激励波形设置 （??）。 将激励从 CW/高斯正弦类型切换为脉冲波形 （??）。 然后重新运行仿真并比较探测器输出。

使用脉冲激励时，探测器时间序列通常会显示出更清晰的瞬态响应：初始上升表示能量 耦合进入环中，随后在脉冲通过并且储存能量通过耦合和损耗离开后发生衰减。 如果你希望用一个单值来总结该器件“有多谐振”，可以测量脉冲峰值之后 探测器曲线的衰减常数；它是该配置下有效腔寿命的直接代理量。

8. 快速检查与常见故障模式

• 探测器没有信号： 检查光源方向/偏振，并确认探测器放置在导模区域，而不是 PML 中。
• 存在很强的杂散辐射： 检查材料边界处的网格分辨率，并在启用时验证亚像素平滑/平均设置。
• 不稳定增长： 时间步长过大（CFL）。减小 dt 或一致地提高空间分辨率。
• 出现意外反射： 检查端口终止、PML 厚度，以及光源/探测器是否过于靠近边界。