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lumerical——Y分支功分器

news 2025/11/4 18:13:04

注：本文没有 INTERCONNECT 模块

一、结构

由于波导结构用代码写比较麻烦，我就偷懒没写直接复制的官网结构

基底

mesh order设为5，防止其覆盖波导，优先级降低

透明度设为0.2，方便观察波导，一般基底的透明度都设为0.5及以下。

二、添加FDTD

功能名称：force symmetric y mesh（强制Y方向网格对称）
作用：
在Y方向（即图中Y分支的对称轴方向）生成 完全对称的计算网格，确保左右分支的网格点一一对

添加ports

选择模式编号的时候，我是点进去计算模式，然后ctrl多选的前两个，都是TE0和TM0模式

三、添加S参数矩阵扫描

界面元素	专业功能	专业解释	通俗操作指南
Excite all ports	全端口激励开关	同时激励所有端口（用于快速获取完整S矩阵），但计算量激增	"群殴模式：让所有端口一起开火，但电脑可能会卡"
Calculate group delay	群延迟计算开关	勾选后输出信号相位随频率的变化率，用于分析器件延时特性	"给光速测速仪：看不同颜色的光谁跑得快"
Add/Delete按钮	映射条目增删	手动添加/删除端口模式组合（如添加port1 mode3→port4 mode1）	"自定义战斗配对：新增或删除攻击组合"
Auto symmetry按钮	自动对称配对	自动识别结构对称性并填充端口映射（如左分支port2镜像匹配右分支port3）	"镜像克隆：把左边的配置自动复制到对称的右边"
Load default table	载入默认配置	恢复软件预设的端口模式映射（通常按端口顺序1→1, 2→2,...）	"恢复出厂设置：清空所有自定义配对"

界面元素	专业名称	专业解释	通俗理解
Name输入框	扫描任务命名	标识当前S参数扫描配置，用于脚本调用或结果区分	"给这次扫描取个名字，比如‘Y分支_优化1’"
SPAR Layout区域	数据导出格式设置	选择输出为Lumerical原生格式或Touchstone标准格式	"选择报告模板：用自家格式还是行业通用格式"
Include group delay	群延迟计算选项	是否在结果中包含光通过器件的延时数据（τg=−dϕ/dω）	"要不要记录光跑完全程花了多久？"
S-matrix index表格	端口-模式映射表	指定每个S矩阵元素对应的物理端口和模式（如S₁₂=port2→port1）	"给每个战斗单位编号：1号弓箭手（port1 mode1）打2号盾牌手（port2 mode2）"
Auto-define按钮	自动对称映射	根据结构对称性自动填充端口模式对应关系（如镜像端口配对）	"一键让软件自己匹配对称的端口"

四、运行脚本

S = getsweepresult("s-parameter sweep", "S parameters"); #从扫频结果中提取S矩阵
# 功率传输系数
S21_TE = pinch(abs(S.S31)^2);
S31_TE = pinch(abs(S.S51)^2);
S21_TM = pinch(abs(S.S42)^2);
S31_TM = pinch(abs(S.S62)^2);
lambda = S.lambda;# 插入损耗公式 IL=10log10(Pin / Pout)（单位：dB）
Pin = ones(100, 1); # 假设输入功率为1（归一化）
IL1_TE = 10*log10(Pin/S21_TE); # Port2的TE模插入损耗
IL2_TE = 10*log10(Pin/S31_TE); # Port3的TE模插入损耗
IL1_TM = 10*log10(Pin/S21_TM); # Port2的TM模插入损耗
IL2_TM = 10*log10(Pin/S31_TM); # Port3的TM模插入损耗# 绘制插入损耗曲线
plot(lambda*1e6, IL1_TE, "lambda (um)", "Insertion loss (dB)", "","linewidth = 5, pen = --");
holdon;
plot(lambda*1e6, IL2_TE, "lambda (um)", "Insertion loss (dB)", "","linewidth = 5, pen = -.");
plot(lambda*1e6, IL1_TM, "lambda (um)", "Insertion loss (dB)", "","linewidth = 5, pen = --, color = pink");
plot(lambda*1e6, IL2_TM, "lambda (um)", "Insertion loss (dB)", "","linewidth = 5, pen = -., color = black");
holdoff;
legend("IL port2 TE", "IL port3 TE", "IL port2 TM", "IL port3 TM");# 绘制功率传输曲线
plot(lambda*1e6, S21_TE, "lambda (um)", "Normalized power transmission", "","linewidth = 5, pen = --");
holdon;
plot(lambda*1e6, S31_TE, "lambda (um)", "Normalized power transmission", "","linewidth = 5, pen = -.");
plot(lambda*1e6, S21_TM, "lambda (um)", "Normalized power transmission", "","linewidth = 5, pen = --, color = pink");
plot(lambda*1e6, S31_TM, "lambda (um)", "Normalized power transmission", "","linewidth = 5, pen = -., color = black");
holdoff;
legend("S21 TE (abs^2)", "S31 TE (abs^2)", "S21 TM (abs^2)", "S31 TM (abs^2)");

下图绘制了Y 分支的分离插入损耗测量从输入端口（端口 1）到每个输出端口（端口 2 和端口 3）插入 Y 分支的信号功率损耗。插入损耗通常以 dB 为单位。

分析：

分析维度	数据特征	物理意义
最优工作波长	1.54 μm处损耗最低（3.18 dB）	分支结构在该波长下实现最佳模式匹配
偏振相关性	TE/TM损耗差≈0.5 dB	存在轻微偏振依赖（可能源于非对称波导截面）
带宽性能	3 dB带宽≈40 nm（1.52-1.56 μm）	适用于CWDM粗波分复用系统（ITU标准通道间隔20 nm）
分光均衡性	Port2/Port3损耗差<0.1 dB	分支功率分配接近理想1:1分束
损耗机制	最低损耗>3 dB	主要源于： • Y分支固有辐射损耗 • 模式转换损耗 • 材料吸收
异常波动	1.58 μm处TM模损耗突增	可能原因： • 高阶模激发 • 材料吸收边效应

下图绘制了在 TE 和 TM 模式下从端口 1 到端口 2 和端口 3 的归一化功率传输（s 参数的abs^2）。

分析：

分析维度	数据特征	物理意义
最优工作波长	1.55 μm处TE模达峰值0.48	该波长下模式匹配最佳，接近理想1:1分束理论值（0.5）
偏振相关性	TE模传输率比TM模高≈0.05	波导存在双折射效应（ΔnTE-TM≈0.01）
带宽性能	TE模3 dB带宽≈60 nm	覆盖C波段（1530-1565 nm），适合CWDM应用
分光均衡性	S21_TE/S31_TE比值≈1.02	输出端口功率分配均匀（偏离理想值<2%）
TM模异常点	1.58 μm处S31_TM骤降至0.43	可能因高阶模耦合或材料吸收边效应
曲线平滑度	TE模波动<±0.01	结构设计均匀，无明显模式竞争