使用脚本语言实现Lumerical官方案例——环形谐振器(Ring resonator)之第一部分

本文使用脚本语言实现Lumerical官方案例——环形谐振器之第一部分，知识讲解部分稍多。如有错误，欢迎大家批评指正。

一、创建结构

1.1 代码实现 

#ring_resonator_draw.lsf
switchtolayout;
selectall;
delete;
um = 1e-6;

#创建基底
addrect();
set("material", "SiO2 (Glass) - Palik");
set("x min", -12.5*um);
set("x max", 12.5*um);
set("y min", -8*um);
set("y max", 8*um);
set("z min", -4*um);
set("z max", 0);

addstructuregroup();
set("name", "ring_resonator");

addrect();
set("material", "Si (Silicon) - Palik");
set("x min", -12.5*um);
set("x max", 12.5*um);
set("y min", 3.4*um);
set("y max", 3.8*um);
set("z min", 0);
set("z max", 0.18*um);
addtogroup("ring_resonator");
addrect();
set("material", "Si (Silicon) - Palik");
set("x min", -12.5*um);
set("x max", 12.5*um);
set("y max", -3.4*um);
set("y min", -3.8*um);
set("z min", 0);
set("z max", 0.18*um);
addtogroup("ring_resonator");
addrect();
set("material", "Si (Silicon) - Palik");
set("x min", -5e-8*um);
set("x max", 5e-8*um);
set("y min", 2.9*um);
set("y max", 3.3*um);
set("z min", 0);
set("z max", 0.18*um);
addtogroup("ring_resonator");
addrect();
set("material", "Si (Silicon) - Palik");
set("x min", -5e-8*um);
set("x max", 5e-8*um);
set("y min", -2.9*um);
set("y max", -3.3*um);
set("z min", 0);
set("z max", 0.18*um);
addtogroup("ring_resonator");
addring();
set("material", "Si (Silicon) - Palik");
set("x", 0);
set("y", 0);
set("z min", 0);
set("z max", 0.18*um);
set("outer radius", 3.3*um);
set("inner radius", 2.9*um);
set("theta start", -90);
set("theta stop", 90);
addtogroup("ring_resonator");
addring();
set("material", "Si (Silicon) - Palik");
set("x", 0);
set("y", 0);
set("z min", 0);
set("z max", 0.18*um);
set("outer radius", 3.3*um);
set("inner radius", 2.9*um);
set("theta start", 90);
set("theta stop", 270);
addtogroup("ring_resonator");

1.2 相关知识

（1）环形谐振器的理解

        环形谐振器是一种像环形跑道一样的光学或电学元件。从外观上看，环形谐振器就如同一个封闭的圆环，这个圆环可以是圆形、椭圆形等各种环形形状. 它一般由能够传输光或电信号的材料制成，比如在光学领域，通常使用硅等半导体材料或者一些光学玻璃等；在电学领域，可能会使用金属导线等。并且，它还会有一些用于输入和输出信号的端口，就像跑道的入口和出口一样，光或电信号通过这些端口进入和离开环形谐振器.

        工作原理 ：当光信号从输入端口进入环形谐振器后，就会在这个环形的“跑道”里不断地传播。如果光信号在环形谐振器里传播一圈的距离正好是光波长的整数倍时，这些光就会发生相长干涉，也就是光波的波峰和波谷相互叠加，使得光的强度得到增强，形成谐振状态。打个比方，就好像一群人在环形跑道上跑步，当每个人跑一圈所用的时间正好是某个固定时间的整数倍时，他们就会在某些时刻同时到达某个位置，从而形成一种有规律的“聚集”状态，光信号的谐振就类似于这种“聚集”.         

        作用和应用：① 滤波作用：在光通信中，环形谐振器可以像一个筛子一样，只允许特定波长的光通过，而将其他波长的光阻挡或削弱。比如在波分复用系统中，不同波长的光信号承载着不同的信息，通过环形谐振器就可以把我们需要的特定波长的光信号筛选出来，从而实现对光信号的滤波和选择。② 信号处理与存储：环形谐振器还可以对信号进行处理和存储。在一些光存储器件中，利用环形谐振器中光信号的谐振特性，可以将光信号的信息以某种方式存储起来，并且在需要的时候再将其读取出来。就好像把物品放在一个个特定的小格子里，需要的时候再从相应的格子里取出物品一样. ③ 产生纠缠量子对：在量子通信领域，环形谐振器可以用于产生纠缠量子对。通过一些特殊的物理过程，如自发四波混合，环形谐振器能够使光子之间发生相互作用并产生纠缠态，这些纠缠量子对是构建量子网络和进行量子通信的关键要素. 

（2）自由光谱范围（FSR）和品质因数（Q）的理解

        ① 自由光谱范围（FSR）：在环形谐振器中，自由光谱范围是指谐振器的输出光谱中，相邻两个谐振峰之间的波长间隔或者频率间隔。想象环形谐振器就像是一个能对特定频率（或波长）的光产生强烈响应的“小乐器”。不同频率的光进入这个“小乐器”，当频率满足一定条件时，就会产生共振，就像乐器在特定频率下会发出响亮的声音一样。而FSR就是这些“响亮声音”（谐振峰）之间的间隔。例如，如果把光的频率比作音符，FSR就是相邻两个“能让乐器发出响亮共鸣的音符”之间的间隔。

        物理意义和应用场景：FSR是环形谐振器的一个重要特性参数。在光通信领域，它对于确定信道间隔很重要。比如说，在波分复用（WDM）技术中，不同的光信号通过不同的频率（波长）来传输信息，环形谐振器的FSR就可以帮助我们确定可以容纳多少个不同频率的光信号通道，同时保证这些通道之间不会相互干扰。

        ② 品质因数（Q）：品质因数是衡量环形谐振器能量存储能力和能量损耗特性的一个无量纲参数，它等于谐振频率（或波长）与半高全宽（FWHM，指谐振峰的高度为最大值一半处的宽度）之比。可以把环形谐振器想象成一个储存能量的“小水库”，Q值就像是描述这个“小水库”质量好坏的一个指标。Q值越高，说明这个“水库”在储存水（能量）的时候，漏水（能量损耗）的情况越少。从光学角度看，高Q值意味着光在环形谐振器里能够来回反射（共振）很多次，能量损耗比较小，就好像光在这个“小赛道”（环形谐振器）里可以愉快地跑很多圈才慢慢停下来；而低Q值则表示光没跑几圈能量就损失完了，就像赛道有很多“漏洞”，光的能量很快就漏掉了。

        物理意义和应用场景：在光学传感器中，高Q值的环形谐振器可以使传感器对微小的环境变化（比如折射率的微小改变）更加敏感。因为高Q值下，共振峰很尖锐，微小的变化就能引起共振条件的改变，从而在输出信号上产生比较明显的变化，有助于提高检测精度。在激光技术领域，Q值也会影响激光的输出特性，高Q值的谐振腔可以使激光具有更好的单色性和相干性。

二、添加特征模求解器并找到群折射率 

2.1 代码实现

#ring_resonator_sweep_wavelength.lsf
um = 1e-6;

#运行脚本绘制结构
ring_resonator_draw;

addfde();
set("solver type", "