大学毕业论文模板：Lumerical纳米光子器件设计案例【光学工程】

2026-04-16 张柯论文指导

在微纳光学的世界里摸爬滚打这么多年，Lumerical的FDTD Solutions就像我手里的“光学显微镜”，能让我真切地“看见”光在波长甚至亚波长尺度下是如何舞蹈的。

刚入门时，我也只是用它算算简单的光栅衍射效率。后来才深刻体会到，Lumerical真正的威力在于――对复杂电磁相互作用和近场效应的精准捕捉。

在芯片级的光子器件中，光的行为早已不能用传统的射线光学来描述。波导的色散、表面等离激元的共振、微腔中的模式耦合，这些现象的核心都是矢量电磁场的精确解算。而这，正是基于有限差分时域方法的Lumerical所擅长的战场。

我曾主导设计一个用于传感的微环谐振器。理论上，它的品质因数应该很高，但初期实验测得的谐振峰总是比仿真宽，灵敏度上不去。

问题出在哪儿？我们一开始怀疑是工艺误差，但反复流片成本太高。于是，我决定用Lumerical进行一次“虚拟实验”。

模型关键点：我不仅构建了理想的波导和环形腔，还重点模拟了波导侧壁的粗糙度――这是工艺中不可避免的。我通过引入随机扰动函数，建立了接近真实情况的非理想几何模型。
收敛性分析：这是仿真可信度的生命线！我系统性地进行了网格收敛性测试。一开始用粗网格，谐振波长偏差有近10nm；逐步加密网格后，发现当网格精度达到5nm以下时，仿真结果（谐振波长、Q值）基本稳定不变。这个步骤，让我对最终的数据有了十足的信心。
结果与洞察：仿真结果清晰地显示，正是那看似微小的侧壁粗糙度，导致了显著的光散射损耗，从而拉低了微环的实测Q值。我们根据这个“虚拟诊断”结果，优化了刻蚀工艺参数，在下一次流片后，器件性能与优化后的仿真结果高度吻合，灵敏度提升了近3倍。

除了传感芯片，我也用Lumerical做过超表面透镜的设计。通过参数化扫描单元结构，直接观察其相位响应，再集成到逆设计算法中，大大缩短了原本需要“试错”的研发周期。

在我看来，Lumerical最大的价值不只是给出一个漂亮的电场分布图，而是能建立一个 “数字孪生” 的实验室――你可以任意改变材料、结构、光源，在计算机上无损地探索所有可能性，并清晰地知道你的仿真结果在什么条件下是可靠的。

我整理了过去项目中几个有代表性的Lumerical案例，包括：

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