Comparison of Lumerical FDTD and Tidy3D for three-dimensional FDTD simulations of passive silicon photonic components
该研究在 SOI 平台上以六种无源硅光子器件为对象，在匹配条件下基准比较 Lumerical FDTD 与 Tidy3D 的精度、运行时间及宽带表现，结果显示二者均可靠且差异极小。
2025-08-30 physics.app-ph physics.optics
FEM Modelling of 3D Photonic Crystals and Photonic Crystal Waveguides
我们提出了一个有限元模拟工具，用于计算三维纳米光学器件中的光场。这允许在标准个人计算机上解决具有挑战性的问题。我们提出了解决本征值问题，如布洛赫型本征值在光子晶体和光子晶体波导，散射问题，如通过有限光子晶体的传输。离散化是基于非结构化的四面体网格与自适应网格细化控制和误差估计器引导。我们使用高阶向量元素（Nederlands，edge elements）作为反函数。为了快速收敛解，我们使用适用于矢量麦克斯韦方程组的高级多重网格算法。
2005-04-08 physics.comp-ph physics.optics
FEM-Based Dispersion and Mode Analysis of Rectangular, Circular, and Ridge Waveguide Geometries
Elmore Family School of Electrical；Computer Engineering Purdue University West Lafayette, IN, USA
提出二维有限元法求解空心金属波导的模态场分布和色散特性，通过标量亥姆霍兹特征值公式计算TE和TM模式，验证了矩形和圆形波导的精度，并应用于单脊和双脊波导，证明脊结构能降低主模截止频率。
2026-06-24 eess.SP physics.comp-ph physics.optics
Modeling of optical amplifier waveguide based on silicon nanostructures and rare earth ions doped silica matrix gain media by a finite-difference time-domain method: comparison of achievable gain with Er3+ or Nd3+ ions dopants
在波导光放大器的增益实现进行了比较研究，其有源层是由含有硅纳米颗粒作为敏化剂的钕离子（Nd 3+）或铒离子（Er 3+）的二氧化硅基质构成。由于布居能级特征时间（ms）和有限差分时间步长（10 ~ 17 s）之间存在较大差异，传统的辅助微分方程时域有限差分（ADE-FDTD）方法不适合处理此类系统。因此，提出了一种新的基于ADE-FDTD方法的双环算法来模拟这种波导光放大器。我们调查的稳定状态制度的稀土离子和硅纳米粒子的水平人口以及不同的泵浦功率范围从1到10 - 4 mW.mm-2的电磁场。此外，在此泵浦范围内，每单位长度可获得的增益的三维分布已被估计。掺Nd 3+波导在1064 nm处的单位长度总增益（达30 dB·cm-1）比掺Er 3+波导在1532 nm处的单位长度总增益（达2dB·cm-1）高。考虑到这些波导上的实验背景损耗，我们证明了一个显着的正净增益只能与Nd 3+掺杂波导实现。所开发的算法是稳定的，适用于具有宽范围的特征寿命的发射器的光学增益材料。
2015-03-18 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph physics.optics
Fourier finite element modeling of light emission in waveguides: 2.5-dimensional FEM approach
我们提出了一个傅立叶有限元模拟耦合到无限长波导的偶极发射器的光发射。由于平移对称性，三维（3D）耦合波导-发射器系统可以分解成一系列独立的2D问题（2.5D），这降低了计算成本。此外，与其3D对应物相比，简化的2D问题可以非常准确。我们的方法可以精确地量化的总发射率，以及发射率的分数到不同的模式通道的波导具有任意的横截面。我们比较了我们的方法与并矢格林函数的单模金属纳米线的光发射，这产生了一个很好的协议。这种方法适用于多模波导，以及多芯波导。我们进一步表明，我们的方法具有充分的能力，包括偶极子的方向，如图所示，通过旋转偶极子，这导致单向激发的导模。这里提出的2.5D有限元方法（FEM）可以应用于各种波导，因此它对于纳米结构中的单光子单发射器接口以及涉及耦合波导发射器的其他场景是有用的。
2015-11-29 physics.optics
Animations obtained by the finite-difference time-domain method showing the backward wave propagation in double-negative single-layer waveguides
具有负介电常数和负磁导率的材料被称为双负（DNG）材料，由于其不同于传统双正（DPS）材料的特殊物理性质而引起人们的广泛关注。通过时域有限差分法（FDTD）获得的动画显示如何在t=0开始的瞬态正弦信号在DPS和DNG波导中传播。三种类型的波导被认为是：板或接地板内的包层介质和平行板波导填充的平板。还提供了归一化参数的色散曲线。
2011-09-22 physics.optics
A flexible framework for large-scale FDTD simulations: open-source inverse design for 3D nanostructures
本文介绍了一个基于 JAX 和 FDTD 方法的开源 Python 软件包，通过反向模式自动微分实现三维光子纳米结构的梯度优化，支持多 GPU 扩展，显著降低计算资源需求，加速光子逆向设计创新。
2024-12-19 physics.comp-ph physics.optics
Implementing commercial inverse design tools for compact, phase-encoded, plasmonic digital logic devices
数值模拟已经成为光子学领域，特别是纳米光子学领域的重要设计工具。特别是，三维时域有限差分（FDTD）模拟因其强大的设计能力而受到欢迎。越来越多的研究人员正在开发或使用逆向设计工具来改善器件的尺寸和性能。这些工具通常使用3D FDTD模拟和伴随优化方法。在这项工作中，我们实现了商业逆设计工具，这些功能的几个等离子体激元器件，推动工具的边界。我们设计了一个具有复杂设计要求的逻辑门，以及一个y-分路器和波导交叉。以最小的代码更改，我们实现了一个设计，将相位编码的输入介质加载表面等离子体极化激元波导。要求的复杂性以及逆向设计工具的局限性迫使我们在编码密度方面做出让步，并使用开关键控对输出进行编码。我们比较了反向设计的器件与具有相同操作行为的常规设计器件的性能。最后，我们讨论了实现复杂器件设计的逆向设计工具的局限性，并评论了目前可能的情况和可以改进的地方。
2023-02-16 physics.comp-ph physics.optics
Role of ion migrations and structural reorganisations in femtosecond laser direct-written chalcogenide glass waveguides
首次解释了飞秒激光在镓镧硫化物（GLS）玻璃中直写正折射率波导的形成。拉曼光谱和电子探针显微分析（EPMA），分别提出了结构变化和离子迁移的证据。二维拉曼光谱图揭示了GaS 4主带对称振动的峰位移和半峰全宽变化。玻色子带的2D图首次被成功地用于识别和理解高折射率玻璃波导中的材料致密化分布。最后，EPMA提供了由于硫的离子迁移的证据和阴离子（S 2-）迁移引起的材料改性的观察也是第一次报告。
2018-06-12 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Switching dynamics of femtosecond solitons in parity-time-symmetric coupled optical waveguides
我们报告了一个详细的研究孤子转向动力学的奇偶时间对称定向耦合器在飞秒域，这需要纳入高阶微扰效应，如三阶和四阶色散，自陡峭，和脉冲内拉曼散射。在高增益/损耗的情况下，所有这些效应的组合被发现可以稳定孤子脉冲在耦合器中的演化，而不是无扰演化的混沌行为。这项工作表明，有效的孤子转向可以实现在非常低的临界功率和相对较高的增益/损耗，即使在飞秒政权。
2022-10-01 nlin.PS physics.optics
Modeling of the refractive index profile of a femtosecondwritten waveguide in LiNbO3
飞秒激光脉冲系统允许以精确和永久的方式改变透明材料的光学特性。激光微加工技术可以在材料中直接写入光波导结构，这是光路制造的基础，研究激光微加工技术制备的光波导的主要特性是我们的兴趣所在。在这里，已经进行了所得的折射率分布的分析。这一特性对于集成光路的设计和模拟是必不可少的。特别是我们对铌酸锂（LiNbO_3）中的一对II型光波导的光耦合进行了研究，这些实验背景为我们提供了调整和测试恢复轮廓的元素，考虑到不同的轨道距离和写入能量，耦合长度和耦合比也会发生变化。然后根据其制造条件，对折射率分布进行重构.折射率分布的建模是进行光束传输模式模拟（BPM）以获得更真实结果的关键参数。因此，通过这种方法，有可能获得一个通用的程序来描述这类波导的特性。作为一个模型测试，集成波导被构建来证实它们的光耦合。在第一阶段，它是通过BPM模拟设计的，然后在X切割LiNbO3晶体中制造，以便根据进行的模拟检查其操作
2021-06-16 physics.optics
And Yet Another FEM-Based Mode Solver for Dielectric Waveguides
University of Maryland Baltimore County（马里兰大学巴尔的摩县分校）
本文提出一种基于混合Nedelec-Lagrange离散化的全矢量有限元法求解器，用于介质波导，通过边元和节点元结合，准确模拟混合模式并抑制伪解，具有高可重复性和效率。
2026-04-13 cs.NA math.NA physics.optics
Notes on Evanescent Wave Bragg-Reflection Waveguides
我们研究了一种扩展的布拉格反射波导（BRW）的空气间隙作为层之一。这种设计有可能大大简化集成非线性光学元件的外延结构，代价是更复杂的结构。这种方法将为设计和改变BRW结构提供更大的灵活性。在这里，我们讨论了扩展的BRW板的理论，并报告我们的结果适用于矩形波导的BRW情况下的Marcatili的方法。用这种分析方法，我们可以估计的有效指数的模式数量级的速度比全数值技术，如时域有限差分法（FDTD）或有限元。最初的结果是混合的;虽然已经发现了相位匹配的设计，但它们目前与其他方案相比没有显着的优势。
2013-09-02 physics.optics quant-ph
Compact Model of Linear Passive Integrated Photonics Device for Photon Design Automation
针对集成光子设计中固定PDK定制性不足、传统仿真优化耗时的问题，提出基于波导幺正演化的数据驱动本征模传播方法及紧凑模型，可实现毫秒级高精度仿真并快速评估制造偏差影响，为光子设计自动化提供高效方案。
2025-01-12 physics.app-ph physics.optics
Timing and energy stability of resonant dispersive wave emission in gas-filled hollow-core waveguides
数值研究了抽运激光不稳定性对充气空芯波导中共振色散波发射产生的超短激光脉冲的能量和到达时间噪声的影响。我们发现，对于低泵浦能量，泵浦能量的波动被强烈放大。然而，当产生过程饱和时，共振色散波的能量可以比泵浦脉冲的能量显著地更少噪声。这适用于各种生成条件，同时仍然产生几个飞秒脉冲。我们进一步发现，即使保守估计的泵浦脉冲能量噪声，所产生的脉冲的到达时间抖动仍然远低于一个飞秒，并且光电离和等离子体动力学可以导致特殊的稳定性，对于某些生成条件。通过将我们的分析应用到按比例缩小的系统中，我们证明了我们的结果适用于基于小芯微结构光纤和大芯中空毛细管光纤的频率转换方案。
2021-04-22 physics.optics
Modulated coupled nanowires for ultrashort pulses
我们预测分析和确认与数值模拟，纳米线波导阵列中的模间色散可以定制通过周期性的波导弯曲，促进灵活的时空整形没有打破飞秒脉冲。这种方法允许同时和独立地控制时间色散和空间衍射，这通常在纳米光子结构中是紧密相连的。
2015-06-20 physics.optics
Three-Octave Supercontinuum Generation Spanning from Ultraviolet in Lithium Tantalate Waveguides
University of Electronic Science and Technology of China（电子科技大学）；ShanghaiTech University（上海科技大学）
首次在锂 tantalate 波导中实现超过三个八度的超连续谱生成，利用孤子分裂和色散波发射，展示其在集成光子学中的低损耗应用潜力。
2025-12-24 physics.optics
Temporal dynamics of all-optical switching in hybrid VO2/Si waveguides
二氧化钒（VO 2）是最有希望用于混合光子集成器件（PIC）的材料之一。然而，尽管切换时间低至几个飞秒已被报道，全光时域动态的VO 2嵌入在波导中使用面内光信号仍然隐藏。在这里，我们实验研究这种行为在混合VO 2/Si波导中使用泵浦-探测测量电信波长。我们的研究结果表明，开关时间在微秒和纳秒范围内，这表明相变是热触发的光吸收的VO 2和时间响应是由热传导动力学。通过适当的工程的光脉冲，我们展望纳秒的切换时间与几个纳焦耳的能量消耗。我们的研究结果揭示了一个新的时间动态，这将是有用的开发未来的全光VO 2光子集成器件。
2020-07-22 physics.app-ph physics.optics
Rigorous analysis of Casimir and van der Waals forces on a silicon nano-optomechanical device actuated by optical forces
在这篇文章中，我们严格分析的色散力（卡西米尔和范德华力）的影响的纳米光学机械设备的基础上的硅波导和二氧化硅衬底，周围的空气和驱动的光学力。色散力的计算使用修改的Lifshitz理论，以考虑到器件的厚度和材料的介电常数，这是从实验获得的光学数据，并通过严格的三维FDTD模拟验证。我们还考虑到波导的机械非线性，这是由于其相对于其厚度的大偏转，由于纳米器件的尺寸。非线性力学分析模型也验证了使用三维有限元模拟。我们的研究结果表明，在适当的设计条件下，有可能达到一个没有拉在临界点，由于只有光的力量，因此，在原则上，这将是可能的，仅通过控制光功率来控制设备的总偏转。然而，色散力通常对器件施加临界点的拉力，并在波导和衬底之间建立最小的初始间隙。此外，我们表明，可以利用几何非线性效应，以避免或尽量减少拉，因此，设备崩溃。
2017-08-01 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.comp-ph
The finite element method applied to the study of two-dimensional photonic crystals
用有限元法计算了二维周期和非周期介质光子晶体的能带结构、透射系数和品质因数。本文重新讨论了控制电磁波在非均匀介质中传播的基本方程，并给出了每一次计算所需的边界条件。本征值和谐波传播分析的电磁问题的详细说明报告几个周期性和有限长度的结构。它被发现，这种方法再现相当不错的标准平面波方法获得的这些晶格的本征值分析（光子能带结构计算）以前的结果。然而，与频率方法相比，有限元方法可以很容易地研究电磁场的时谐传播，从而以自然的方式计算有限团簇的透射系数。此外，还讨论了这种实空间方法对任意复杂结构的优点。此外，点缺陷集群品质因数的计算报告通过有限元法，并与FDTD和\texttt{Harminv}方法得到的。因此，有限元法成为研究光在周期和非周期介质光子晶体中的传播和限制的一种有效、稳定、可靠和严格的工具。
2012-10-29 cond-mat.mes-hall physics.optics
Design and Simulation of Si-Photonic Nanowire-Waveguides with DEP Concentration Electrodes for Biosensing Applications
本文探讨了利用商用PIC技术为硅光子纳米线波导设计DEP电极的方法，通过FEM仿真确定器件层平面电极结合金属1层第二电极对为最优配置，以提升生物传感器的响应速度与检测限。
2024-06-27 physics.app-ph physics.optics
