应用案例

热辅助磁记录（Heat-Assisted Magnetic Recording，HAMR）锥形波导是集成于磁记录写入头中的关键光学元件，其核心功能是实现模式约束与模式转换。该波导的宽度沿传播方向逐渐减小，能够将激光器输入的宽模场快速压缩至更小的截面区域。本案例根据参考文献 [1] 构建了两种相似的 HAMR 仿真模型，并利用 2.5D 时域有限差分（FDTD）求解器及本征模扩展（EME）求解器进行仿真，比较两种求解器的适用范围。

Si₃N₄–Al₂O₃ 集成波导垂直耦合器是一种实现 Si₃N₄ 波导与 Al₂O₃:Er³⁺ 波导之间光信号垂直传输的关键器件，通过锥形绝热耦合结构将光从 Si₃N₄ 层高效转移至 Al₂O₃:Er³⁺ 层，在单片集成 Er 掺杂 Al₂O₃ 光放大器、多层光子集成等应用中具有重要价值。本案例基于参考文献 [1]，首先利用本征模有限差分（FDE）求解器分析模式重叠，获取最佳横向偏移，随后利用本征模扩展（EME）求解器扫描锥形波导长度以优化耦合效率，最后利用时域有限差分（FDTD）求解器进行验证。仿真结果表明，在 1480–1620 nm 波长范围内，耦合效率优于 -0.3 dB。

垂直光电探测器（vertical photodetector）是一种将光信号转换为电信号的核心光电子器件，其典型结构为在硅波导上方集成锗（Ge）吸收层，光通过锥形耦合结构从硅波导垂直耦合进入 Ge 层并被吸收，产生电子-空穴对，在内建电场作用下分离形成光电流。本案例基于参考文献 [1] 仿真了一种垂直 Ge-Si 光电探测器，利用本征模扩展（EME）求解器优化器件尺寸，并利用时域有限差分（FDTD）求解器计算光生载流子生成率等参数。

光子晶体是一种介电常数在空间上周期性分布的人工微结构，其周期与光波波长相当，能够对光的传播进行有效调控。本案例采用严格耦合波分析（RCWA）方法，对圆孔式正方晶格二维光子晶体平板的反射与透射特性进行仿真，分析其随频率、入射角度及偏振态的变化规律，并通过收敛测试确定 k 矢量的最大数量对计算精度的影响。

PN 结二极管（PN junction diode）是一种由 p 型半导体和 n 型半导体接触形成的两端器件，具有单向导电性，结构简单、易于集成，可以通过外加偏压调控耗尽区的宽度与势垒高度，实现对电流的整流、开关等功能。相比于传统的真空电子管，PN 结二极管具有体积小、功耗低、响应快等优势。本案例利用有限差分载流子传输（FDCharge）求解器仿真了一种理想硅 PN 结二极管，获取了能带结构、内建电势、耗尽区宽度、电流-电压特性以及结电容等关键参数，并验证了仿真结果与解析模型的一致性。

超表面（metasurface）是一种由亚波长单元周期排列而成的结构，具有轻薄、低损耗、易集成等优点，可以通过产生的相位突变对电磁波进行调控，实现对光束的聚焦、整形等功能。相比于传统光学器件，超表面能够灵活地调整光束的振幅与相位。本案例基于参考文献 [1]，利用时域有限差分（FDTD）法仿真了一种能够产生涡旋光束的超表面，并利用远场投影获取了光束在距离超表面 50 倍波长处的光强分布。

边缘耦合器（Edge Coupler）是一种在芯片端面实现光纤与片上波导高效耦合的关键器件，广泛应用于光纤到芯片的低损耗耦合接口、芯片端面的光输入/输出（I/O）以及晶圆级测试中的光探针耦合等领域。本文根据参考文献[1]，利用本征模有限差分（FDE）求解器与本征模扩展（EME）求解器，建模仿真了一种工作波长为 1550 nm 、能够在常规 SMF-28 单模光纤与芯片之间实现高效耦合的边缘耦合器。

相移布拉格光栅（phase-shifted Bragg grating，PSBG）是在传统布拉格光栅的周期结构中引入一个或多个相位突变点而形成的光学器件，能够在光栅的透射谱阻带中打开一个或多个极窄的透射窗口，可作为窄带带通滤波器与波长选择器应用于光纤通信、激光、传感等领域。本案例利用 EME 求解器对相移布拉格光栅进行仿真，计算其透射光谱，分析周期对光栅滤波特性的影响。

波导是集成光子芯片中的基本元件，用于在芯片内部传输光信号。然而，波导与光纤的模场尺寸通常相差很大，直接对接将导致较高的耦合损耗。因此，常采用光斑尺寸转换器（Spot Size Converter，SSC）作为中间过渡结构。本文基于参考文献[1]，利用 EME 求解器仿真了一种基于锥形波导及聚合物覆盖层的光斑尺寸转换器。

偏振旋转器（polarization rotator，PR）是一种特殊的波导结构，能够通过积累 TE 模与 TM 模的相位差，实现偏振态的相互转换，因此广泛应用于相干光通信、偏振分集光子集成电路及量子信息处理等领域。本案例介绍了偏振旋转器的仿真方法，并在 FDE 求解器和 EME 求解器中展示了两种偏振旋转长度的计算方法。