布拉格微腔
前言
基于光波导的光学微腔具有较高的品质因子，并可以应用于光学滤波器、激光器和调制器等多个领域。本案例使用 FDTD 分析基于光波导的一维布拉格光栅谐振微腔的共振频谱，并计算共振频率和品质因子 Q。模型中的布拉格光栅由齿状周期结构和分布在结构中间的 6 个平行空气平板构成，通过加宽中心结构的尺寸来引入缺陷，使光在布拉格结构的阻带内发生透射共振。
仿真设置
本案例通过使用 3D FDTD 构建了一种典型的基于波导结构的布拉格微腔，其结构如下图所示。为引入缺陷，光栅的尺寸为不均匀设置，具体请参考文献[1]。
光源使用Mode Source，然后选择注入波导的光模式，本案例中，选择 TE 偏振的基模来激发谐振微腔，其模式轮廓图如下所示。通过在仿真区域中放置多个不同方向及位置的FDFP monitor来观测场分布情况。使用分析组库当中内置的high Q分析组求解目标频段范围内的共振频率，并计算对应的品质因子 Q。
仿真结果
打开附件工程并运行完成后，可从监视器和分析组中得到所有目标分析数据。运行附件中的Waveguide_Bragg_Microcavity_analysis.msf脚本文件，可以得到以下展示数据。如下图所示，从Time Monitor out的结果中 Ex 的信号强度可以看出，大约 1 ps 的时间内，大部分的光能已经辐射，但是为了保证 Q 的计算准确性，需要得到 2 ps 内完整的信号数据。
将时域信号进行快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform, FFT)后，得到共振频谱图如下图所示，可以明显看出此布拉格微腔具有较宽的阻带，在目标频段范围内存在多个共振峰。
通过下图所示的透射光谱可以看出，共振频率为 196.8 THz。其对应的品质因子 Q（即共振峰中心频率与其半峰全宽(Full Width at Half Maxima, FWHM)的比值）可以从分析组high Q的结果数据中得出，约为 199。由于微腔的品质因子代表能量存储与能量损失的比值，因此要获得更高的品质因子，就必须尽可能减少辐射损失。
微腔结构的水平和垂直截面位置的 FDFP monitor 记录了不同频率的场强分布情况，在此对比共振频率和无共振频率下的场强分布。从下图可以明显看出，在布拉格微腔位置的共振电场约有六倍强度的增强，另一张图片中展示出，无共振现象发生时，大部分辐射被布拉格微腔结构所反射。
参考文献
Kleckner, T. C , Modotto, et al. "Design, Fabrication, and Characterization of Deep-Etched Waveguide Gratings", Lightwave Technology, Journal of, 2005, 23(11):3832-3842. ↩︎
