应用案例

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。

对于横向均匀、仅在厚度方向分层的介质结构，stack脚本能够快速计算其光学响应。该方法基于传输矩阵，将每一层对应一个传输矩阵，通过矩阵连乘得到整体传输矩阵，进而求解结构的反射率、透射率以及场分布。本文基于四层介质结构，分别利用stackrt脚本与FDTD方法得到了平面波以不同角度入射时的透过率和反射率，并对两者结果进行对比；同时，利用stackrt脚本分析了中间层厚度变化对反射率的影响。

锥形波导型偏振转换器通过沿传播方向逐渐变化的波导截面，实现不同偏振模之间的平滑能量耦合，从而完成偏振态的高效转换。该结构具有带宽宽、损耗低、对制造误差不敏感等优点，广泛应用于光通信、偏振复用及硅基光子芯片中的偏振控制。本案例首先利用 FDE 求解器对波导宽度进行扫描，分析 TM1 模与 TE0 模的有效折射率变化，确定两者发生交叉的区域，以指导锥形波导的设计范围。随后，分别使用 FDTD 求解器和 EME 求解器对整个结构进行三维仿真，通过计算光在锥形波导中的传播过程及偏振转换效率，对比两种求解方法的速度与精度，验证了 EME 在平面波导设计中的独特优势。

光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）是一种在光纤纤芯中引入周期性折射率调制而形成的光学滤波器件，广泛应用于光纤通信、光纤传感、激光器稳频等领域。本案例利用本征模扩展（Eigenmode Expansion，EME）求解器对光纤布拉格光栅进行仿真，通过常规参数扫描（parameter sweep）与波长扫描（wavelength sweep），验证了EME在处理周期性光栅结构时的计算效率优势。

太阳能电池是实现光电转换的核心器件，其基本原理是当太阳光照射在具有光伏效应的半导体材料上时，半导体材料吸收光子后产生光生载流子，进而在内建电场或电极作用下形成光电流。随着太阳能电池设计的复杂度增加，精确的数值仿真成为预测和优化电池性能的关键手段，将太阳能电池的光生载流子产生速率导入FDCharge求解器中进行电学仿真，可以得到太阳能电池的关键指标。本案例通过导入光学结果，计算了太阳能电池的伏安特性等指标。

定向耦合器是一种在射频、微波和光通信领域广泛使用的无源四端口器件，其核心功能是在不影响主信号传输的前提下，按特定比例、有方向性地提取一小部分信号。本案例以Liu第3.1节描述的定向耦合器为例，分别在SimWorks、Lumerical和Tidy3D中进行了仿真对比，同时通过合理的控制变量，证明三款软件在关键性能指标上高度吻合。

在本案例中，我们针对二维Y分束器引入拓扑逆向设计（Topology Optimization）方法，直接在设计区域内对材料分布进行优化，允许算法在整个设计空间中自由探索，展示了拓扑逆向设计在光子器件结构生成与性能优化中的强大能力。