应用案例

在现代生物传感技术中，基于光学共振结构的传感器因其高灵敏度与无标记检测能力而受到广泛关注。共振型光栅结构作为一种典型的纳米尺度光学元件，能够在外界环境折射率发生微小变化时，通过其反射或透射光谱中的共振峰位移实现高精度检测，这一特性使其在生物分子识别、环境检测与医疗诊断等领域具有重要应用价值。本案例根据 $Cunningham$ 等人的工作[^1]，对一个典型的共振型生物传感光栅进行了建模仿真，并分析了其光学响应特性。

闪耀光栅是一种经过专门优化的衍射结构，其通过在光栅表面设计特定的闪耀角，能够将入射光能量高效地集中到某一特定衍射级次，从而显著提升效率并抑制不希望的衍射能量分布。本案例使用 FDTD 仿真了一个闪耀光栅并分析它在不同衍射级次下的能量分布情况。

在 FDTD 仿真中，如果需要获取器件较远位置的场分布，通常需要在 FDTD 中扩展计算区域，让光在仿真域内完整传播到目标面。虽然这种方式直观，但会显著增加计算规模和耗时。本案例展示了一种基于光栅投影的方法，可以快速获得在匀质介质中传播的场在任意指定位置的分布，并通过与 FDTD 仿真结果的对比验证其准确性。

衍射光栅作为一种经典的周期性光学元件，广泛应用于光谱分析、激光调控、波束分束等领域。其核心功能源于对入射光的波前进行空间调制，从而在特定方向上产生一系列离散的衍射级次。不同级次所携带的能量分布决定了光栅的实际性能。因此，准确分析各衍射级次的功率分布是光栅设计与优化中的关键步骤。本案例通过一个二维周期性衍射光栅，展示如何在 FDTD 仿真中使用光栅投影，准确获取各衍射级次的能量分布，并评估其衍射效率。

在2007年，Kaliteevski等人在金属和布拉格光栅之间成功激发塔姆等离激元。塔姆等离激元的色散曲线位于光锥内，可以直接被激发，同时，其对光的入射角度没有要求并且TE或者TM偏振光都可以激发。这些特性使得其在表面光增强、非线性光学以及激光等领域有着广阔的发展潜力，本案例将仿真研究该过程。

阵列波导光栅是密集波分复用系统中的关键器件，随着大规模光子集成器件的发展，阵列波导光栅的小型化设计成为了重要的课题。本案使用 SimWorks光学有限差分解决方案的 2.5D-FDTD 求解器例建模仿真了一个马鞍型硅纳米线阵列波导光栅，并计算了其输出的频谱响应与损耗。

硅光集成的一个重要问题是集成波导器件与光纤或自由空间光学器件之间的接口问题，光栅耦合器凭借其易制作、灵活度高、对准容差大等优点，成为解决芯片与光纤之间耦合难题的最主要的解决方案。本案例建模仿真了一个聚焦光栅，并研究了它的耦合损耗。

线栅偏振器是一类由亚波长周期的金属（如金、银、铝等）光栅组成的偏振器。因其结构紧凑、光亮度高、偏振消光比高、视场宽、易集成化等优点，在光开关、光学显示和成像系统等领域具有广阔的应用前景。本案例根据Ahn等人的工作，通过控制光栅间距、占空比和铝光栅的高度，可以调节消光比和传输等光学特性。

布拉格光栅是一种结构的有效折射率存在周期性变化的光学器件。波导布拉格光栅可以近似一种一维光子晶体结构，通过周期性折射率调制，实现对波长的选择。在本案例中，根据wang等人的工作可以探究在硅波导布拉格光栅当中，侧壁条纹的几何参数（如深度或者错位）对布拉格光栅性能的影响。