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物理学 > 光学

arXiv:2503.17745 (physics)
[提交于 2025年3月22日 (v1) ,最后修订 2025年10月27日 (此版本, v4)]

标题: 电磁波在介质环中约束的混合场公式

标题: Mixed Fields Formulation for Electromagnetic Waves Confined in Dielectric Rings

Authors:Ergun Simsek, Alioune Niang, Raonaqul Islam, Logan Courtright, Gary Carter, Curtis R. Menyuk
摘要: 我们提出了一种易于实现的数值方法,用于分析电磁波在介质环中的传播。 我们的方法采用基于有限差分的求解器,在圆柱坐标系中求解混合电场和磁场公式,以准确施加边界条件并计算共振模式。 该方法避免了几何变换;相反,它直接在圆柱坐标系中离散化亥姆霍兹波动方程,并求解得到的广义特征值问题。 我们将模型与商业求解器进行验证,针对多种结构,包括嵌入在SiO2中的Si3N4环、涂有薄膜的基板上的环以及环面,有效折射率的吻合度在0.3%以内。 该公式准确捕捉了场限制、曲率效应和色散,能够精确确定传播常数和模式轮廓。 作为应用,我们对高Q微谐振器中的光学频率梳生成进行了建模,预测了99.6 GHz的自由光谱范围和160万的负载品质因数,这得到了实验测量结果的证实。
摘要: We present an easy-to-implement numerical method for analyzing electromagnetic wave propagation in dielectric rings. Our approach employs a finite-difference-based solver in cylindrical coordinates, solving a mixed electric-magnetic field formulation to accurately enforce boundary conditions and compute resonant modes. The method avoids geometric transformations; instead, it directly discretizes the Helmholtz wave equation in cylindrical coordinates and solves the resulting generalized eigenvalue problem. We validate our model against commercial solvers for various structures, including a Si3N4 ring embedded in SiO2, a ring on a thin-film-coated substrate, and a torus, achieving agreement in effective refractive indices within 0.3%. The formulation accurately captures field confinement, curvature effects, and dispersion, enabling precise determination of propagation constants and mode profiles. As an application, we model optical frequency comb generation in a high-Q microresonator, predicting a free spectral range of 99.6 GHz and a loaded quality factor of 1.6 million, corroborated by experimental measurements.
评论: 18页,8图
主题: 光学 (physics.optics)
引用方式: arXiv:2503.17745 [physics.optics]
  (或者 arXiv:2503.17745v4 [physics.optics] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2503.17745
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

提交历史

来自: Ergun Simsek [查看电子邮件]
[v1] 星期六, 2025 年 3 月 22 日 12:05:32 UTC (6,229 KB)
[v2] 星期二, 2025 年 4 月 15 日 18:46:18 UTC (6,886 KB)
[v3] 星期四, 2025 年 6 月 19 日 14:36:13 UTC (1,153 KB)
[v4] 星期一, 2025 年 10 月 27 日 11:38:17 UTC (10,813 KB)
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