应用案例

牛眼孔径是一种具有周期性环形金属沟槽的亚波长光学结构，通常由中央的微小圆孔和周围同心圆形狭缝阵列组成。当入射光照射在金属表面时，环形狭缝会在特定波长条件下激发表面等离激元，并在中央孔径处重新辐射到另一侧空间，从而实现强透射与光场增强效应。本案例对银薄膜上的牛眼孔径结构进行仿真，展示其典型的光场增强与定向辐射效应。

在非线性光学中，四波混频（Four-Wave Mixing, FWM）是一种典型的三阶非线性效应，被广泛应用于全光信号处理、波长转换和新光源产生等领域。当光在具有 Kerr 非线性的材料中传播时，多频率光场通过非线性相互作用会激发出新的频率分量，实现频率混合与能量转移。本案例展示了一个基于三阶非线性材料的 FDTD 四波混频仿真流程。

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。

亚波长光学器件在光场调控和光子集成领域具有广阔的应用前景。聚焦型亚波长光学器件，能够有效提升光的方向性与能量集中度，在微纳尺度下实现远场聚焦，为高分辨率成像、近场探测以及光通信中的高效耦合提供了新的可能。然而，在亚波长尺度下，光会发生强烈的干涉和衍射，使得聚焦变得困难。Garcia-Vidal 等人提出了一种结构：在金属薄膜中开设单一亚波长孔径，并在孔周围引入表面沟槽，通过激发表面等离激元实现远场聚焦。本案例对该结构进行了建模仿真，并对焦斑宽度进行了分析，以展示其聚焦性能。

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。

传统的曲面光学透镜对光线的调控依赖于沿着光路的相位积累，因此会受到自然材料折射率的限制。为了修正各种图像像差，通常需要多个透镜组合。然而多个光学透镜的组合会占用大量的空间，使得光学系统难以小型化。而超透镜通过电介质表面上的人造亚波长单元的排列组合来操纵入射光，使光束弯曲。只需要一个超透镜，就能实现与需要多个光学透镜的设备同样的性能。与传统光学透镜相比，超透镜体积小、重量轻、成本低、成像好以及更易集成等优点，为紧凑集成的光学系统提供了新的解决方案。本案例基于夏习成和姚赞的研究，介绍了如何使用FDTD进行超透镜的仿真，帮助读者实现光学系统的微型化。

对更小、更快、更低功耗半导体器件的需求不断推动着光学光刻技术的进步。随着半导体器件尺寸的不断缩小，例如在45nm节点一些需要成像的特征小于所用的193nm光源波长的四分之一，需要使用交替相移掩模（APSM）来提高分辨率。这种尺度会导致严重的邻近效应，需要通过光刻仿真来了解这些效应，以便在掩模设计中将其考虑在内，从而实现可预测和可靠的工艺。本案例展示了如何在FDTD中使用交替相移掩模（APSM）对亚波长特征进行成像。

威尔金森功率分配器是一种可用于功率分配的三端口器件，相比于普通T型功率分配器，它可以使所有端口的阻抗匹配，并且可以实现任意的分配功率。与电阻功率分配器相比，威尔金森功分器可以实现输出端口之间的隔离，端口的阻抗匹配时没有损耗，只有输入信号在输出端口产生的反射波会被电阻元件耗散。本案例建模仿真了Pozar中例7.2设计的均等分配（3 dB）威尔金森功分器。

Antoniades等人提出了一种新型负折射率（NRI）的共面波导（CPW）传输线（TL），它可以用在传统传输线后进行相位补偿，使得设计频率经过所有传输线传播后实现正、负或零相移。其负折射率超材料部分由集总元件电容器和电感器组成，集总元件值的微小变化能在不改变总长度的情况下，改变传输线的相位特性。因此，其优点是体积小、结构简单、易于制作平面微波电路，在设计频率附近表现出线性相位响应。本案例参考了Antoniades等人的论文，建模仿真了工作频率 f=1GHz 的零相移NRI-TL。

默认情况下，模式光源计算指定频率范围中心频率的模式，然后在所有频率注入该模式，这种方法在单频和窄带仿真中非常有效。但在宽带仿真中，不同频率下计算的模场不同，只采用中心频率的模场注入产生的模式失配误差会随着频率范围的增加而增大。本文将以在宽带太赫兹范围内工作的带有薄介电涂层的铜线为例，演示模式源的多频解模功能。