多层结构光学微球腔优化研究：FDTD模拟与性能提升

"本文详细分析了波导耦合多层结构的光学微球腔的性能，通过时域有限差分(FDTD)方法进行了数值模拟。研究发现，与均匀结构和双层结构相比，多层结构的光学微球腔具有更高的能量密度、更大的存储能量以及更小的模式体积。在微球腔与波导之间的最佳间隙约为60至120纳米，这为优化耦合效率提供了关键信息。通过对高折射层厚度和折射率的调整，可以在特定波长下创建具有超过360的能量密度或小于0.03模式体积的微球腔。此外，通过高斯光激励的实验，证实了多层微球腔能实现频率选择并有效导出光信号。这些结果表明，多层微球腔在微纳光学领域具有优越的性能，为微球腔的未来设计和应用提供了新的优化策略。" 在微纳光学领域，光学微球腔因其独特的光学特性，如局域增强的光场和紧凑的尺寸，被广泛用于光子器件的设计。本研究运用时域有限差分(FDTD)技术，这是一种数值计算方法，常用于解决波动方程，特别是电磁波在复杂介质中的传播问题。通过FDTD模拟，作者比较了均匀结构、双层结构和三层结构的光学微球腔，揭示了多层结构的优势。微球腔与波导之间的耦合是实现光信号输入和输出的关键，最佳间隙的确定对于提升系统性能至关重要。 高折射率层的引入进一步优化了微球腔的性能，其厚度和折射率的精细调控能够定制微球腔的谐振特性。例如，通过选择适当的参数，可以得到具有极高能量密度的微球腔，这对能量存储和光子集成非常重要。另一方面，较小的模式体积意味着更高的光场集中度，有助于提高光-物质相互作用的效率。 此外，高斯光激励的实验展示了多层微球腔在频率选择和光导出方面的潜力。导出波导与微球腔的激发频谱匹配，证明了多层结构能够有效地筛选特定频率的光，并将其传输到外部系统，这对于光学滤波、传感和量子通信等应用具有重要意义。 这项工作不仅深化了我们对多层结构光学微球腔的理解，也为微纳光学器件的设计提供了新视角。研究人员和工程师可以借鉴这些发现来优化他们的微球腔设计，从而提升器件的性能和实用性。未来的研究可能会探索更多层次的复杂结构，或者结合其他材料和几何形状，以实现更广泛的光子功能。