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讯技光电Trigger
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JCMSuite应用—垂直腔面发射激光器(VCSEL)
垂直腔面发射激光器 (VCSEL) 是一种特定的微型化半导体激光二极管。谐振腔通常由布拉格反射镜(分布式布拉格反射器DBR)构成,激光束发射垂直于顶部的表面。本教程案例展示了如何设置复杂的 VCSEL 几何形状,以及如何用其特有的 3D 模式轮廓、共振波长和质量因子(Q 因子)高效的计算腔膜。该设置紧跟文献中的案例(比恩斯特曼等人2001年发表的文章)。其结构形状是旋转对称的,因此您可以在圆柱坐标系统中使用共振模式求解器来计算共振。
几何体(由一个二维平面几何形状围绕 y 轴旋转以产生三维器件几何结构)和各种网格生成参数在文件layout.jcm中定义。在此特定情况下,所有层(DBR、激发层、光圈层、腔层)都在绝对坐标中定义为多边形,精度低于纳米量级。
设置网格选项,以便获得相对较大的且不太精细离散化的计算域。(在这种情况下,最薄的层只有 的厚度,而设备的直径是约 。在这种条件下,各向异性网格设置可以显著降低计算工作量。
微小特征尺寸(Tiny Feature Size)选项实际上关闭了在所有层中比Tiny Feature Size=100单位长度小的网格划分。最小网格角度(Minimum Mesh Angle)选项可以设置锐角三角形。删除内约束选项(Remove Inner Constraints)可以引入亚网格,在垂直方向上通过放置几个相同材料构成的薄层靠近彼此来实现(在本案例中是在中央空腔区域完成的)。
下图展示了上面所描绘的几何形状(左边上图DBR 是25组四分之一波层对,下面DBR 是30组四分之一波层对)和部分三角网格划分(右图,放大后是非常薄的激发层,可以看到具有尖锐三角形的各向异性网格)。
通过计算的3D解决方案,可以将计算的场分布导出到2D截面进行后处理。下图展示了平行于对称轴且通过腔体中心的截面,左图显示了光强分布,右图是场矢量分量的实部
(图1:几何形状;图2:场分布)
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OptiSystem应用:光纤环形镜FBG传感器
应用
遥感
FBG传感器合成
温度,应力和应变传感
土木工程,如桥梁,管道,结构
多方向数据传感
综述
光纤环形镜配置已应用到各个方面中,其中一个重要的应用是传感。在光纤环形镜中插入光纤布拉格光栅(FBG)后,可利用环形镜的切换功能来增强传感和访问能力。宽带LED或白光源照进FBG环形镜,可以在FBG中心波长处产生连续波(CW)光信号,这种光信号可以通过控制环路内的移相器从环路的两侧进行访问。CW光波长随FBG的环境条件(包括温度,应力和应变)而变化。
优点
FBG光纤环形镜传感器可用于任何远程位置不同参数的检测,并可通过单模光纤传输感应数据。
通过控制移相器的相位,可以从传输系统的两侧访问所检测的数据。
OptiSystem软件允许用户研究FBG光纤环形镜传感器中不同参数对整体性能的影响。
使用OptiSystem软件可以进行FBG参数合成。
仿真说明
图2显示了用于在OptiSystem中进行FBG光纤环形镜传感器数值仿真的布局。低成本宽带LED可用于探测传感器。 LED灯光通过一个循环器和一个3-dB光纤耦合器在两个方向上发射到环路中。 FBG在其定义的带宽和中心频率内,反射环路每个方向上的光信号。 FBG还允许传输其带宽之外的光信号,且不改变它们的传播方向。一旦反射和传输的场返回到3-dB光纤耦合器的输出端口,它们就会加强,消减或部分地干扰,这取决于3-dB光纤耦合器的每个输出端口处的两个场之间的相位差。如果两个场之间的相位差为0°,则光信号将通过环路传输并出现在3-dB光纤耦合器的另一个输入端口(标记为2)。但是,如果两个场之间的相位差为180°,则光信号被反射回3dB光纤耦合器的输入端口(标记为1)。任何其他相位差都会导致光信号出现在两个端口上。当相移等于180°或0°时,反射或透射的产生的光信号是以FBG中心频率(1550nm)为中心的连续波(CW),其20dB线宽为90GHz(0.72nm),如图3所示。当感测位置处的环境条件改变或应力和应变施加到光纤布拉格光栅时,FBG物理条件改变并影响其中心布拉格波长。 结果是产生的CW光信号中心波长变化。 可以从传感器位置远程监测中心波长的漂移。图4显示了当相移器设置为0°时,由于感测位置处的温度变化导致光栅布拉格波长的变化而在反射端口处测量的CW光信号。 在仿真时,FBG的温度范围从0℃变为100℃。
仿真工具可用于合成现实生活中部署的FBG光栅的实际参数。 这可以在传感系统的安装和测试阶段完成。 然后,通过比较测量的CW光信号的中心波长和合成的FBG参数的仿真结果,可以将合成的FBG用于实际传感系统的分析阶段。
(图1:FBG环形镜传感器布局;图2:仿真的FBG光纤环形镜布局;图3:相移设备设置为0°时发送的CW信号;图4:薄矩形单元对方向角的响应)
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VIRTUALLAB FUSION中马赫曾德尔干涉仪的真实与理想分束器
1890年代初期发明的马赫曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder interferometer)很快成为最受欢迎的干涉仪之一,如今仍在某些应用中使用。 由于其特征性的,分开的光路仅经过一次,因此它是一种高度可配置的仪器(例如相对于迈克尔逊干涉仪)。 使用两个50:50分束器将准直光束分成两部分,然后将它们在出口处重合在一起。 VirtualLab Fusion可对系统进行详细建模,包括由实际分束器引起的两个90°相移。
本案例中,在VirtualLab Fusion中设置了马赫曾德尔干涉仪, 并演示了样品组件的倾斜和移动如何影响干涉条纹。本案例研究了理想和实际棱镜分束器的不同性能。 实验表明棱镜引入的附加相移导致了互补的干涉图案。
(图1:马赫曾德尔干涉仪;图2:带棱镜分束器的马赫曾德尔干涉仪中互补干涉图案的观察 )
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Techwiz LCD:LC透镜光线追迹
由于LC透镜具有体积小、焦距可变等优点,因此被认为是光学系统中一个有前途的研究领域。
由于LC材料的折射率可以通过施加电压来调整,所以可以在有限的空间内改变焦距。在LC透镜结构中,可以通过TechWiz Ray 2D和3D计算光程差和焦距,并进行高级LC分析,包括通过施加电压进行LC指向矢分布。
(图1: LC分布和光学路径分析(关状态);图2: LC分布和光学路径分析(开状态))
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在VirtualLab Fusion的示例中演示连接场解算器
在现代光学系统中,为了进一步推动我们操纵光的极限,我们使用了许多不同种类的元件。我们开发了新元件并稳定地改进传统设备以获得所需的功能和性能。这常常会增加这些元件和整个系统的复杂性。 VirtualLab Fusion以其快速的物理光学技术,基于不同场解算器的灵活和自动连接,可以对光学系统进行精确建模,并可以对相关效果进行详细分析。
提出了一种全内反射(TIR)棱镜的建模方法。这个装置由两个连接在一起的部分组成。演示了由此产生的窄隙如何引入干涉条纹和渐晕效应。
梯度折射率(GRIN)介质具有平滑的折射率变化,可以用来减少像差。VirtualLab Fusion的场追迹技术为光在GRIN介质中的传播提供了完整的物理光学建模。
(图1:全内反射(TIR)棱镜的建模;图2:GRIN透镜的建模)
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VirtualLab Fusion应用:空间扩展部分相干光源的建模
在数值模拟中,当我们将光表示为电磁场时,空间扩展光源可以用几个无关的完全相干场来模拟,这些场具有相同的能量密度,但彼此之间有部分位移[J. Opt. Soc. Am. A 27 (9), 2010]。在快速物理光学软件VirtualLab Fusion中,我们利用这种方法建模了一个空间扩展部分相干光源,并探讨了基本场的配置和场的数量对光源的影响,然后利用该光源进行杨氏干涉实验,通过检测干涉条纹对比度的变化来研究光源的相干特性。本用例演示了如何基于杨氏干涉实验,实现Tervo等人报道的移位基本场法[J. Opt. Soc. Am. A 27 (9), 2010],以获得空间扩展光源的精确模型。在VirtualLab Fusion中,我们**了著名的杨氏干涉实验,并验证了狭缝宽度、狭缝距离以及扩展光源的影响。
(图1:用移位基本场法建模空间扩展光源;图2:杨氏干涉实验)
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Techwiz LCD 1D:光学薄膜设计与分析
偏光片是用二向色染料染色聚乙烯醇基薄膜,然后拉伸制成的。然后,TAC(三乙酰纤维素)附着在偏光片的顶部作为保护膜。PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)作为TAC薄膜的替代品,虽然性价比高,但它存在严重的光学问题,如色差和高迟滞性。为了解决这些问题,我们使用Techwiz LCD 1D提供基于相差的颜色分析。
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JCMSuite应用——微透镜(Micro lens)仿真
该示例是对 Gschrey 等人的单光子源设计[1]的改编。 该几何结构由多层衬底构成,衬底为布拉格反射镜,在衬底顶部有一个微透镜,量子点位于顶层内。入射波长为969nm的近场和远场图;下图展示了球面微透镜在不同极化方向时,三个偶极子的近场强度和远场强度(具有不同比例的伪彩色图)
(图1:由布拉格反射镜组成的微透镜几何结构示意图(旋转对称);图2:x、y、z方向极化偶极子的强度(入射波长969nm,球面微透镜);图3:x、y、z方向极化偶极子的远场上部(空气中)强度(入射波长969nm,球面微透镜);图4:x、y、z方向极化偶极子的远场下部(基底中)强度(入射波长969nm,球面微透镜))
参考文献:
1. M.Gschrey, et al., Highly indistinguishable photons from deterministic quantum-dot micro lenses utilizing three-dimensional in situ electron-beam lithography. Nat. Comm. 6, 7662 (2015).
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