黑箱耦合模理论：一种用于建模开放、有损与色散谐振腔电磁相互作用的从头算框架
光学
2020-11-20 v1
摘要
时域耦合模理论（TCMT）提供了一个简单而强大的平台来建模和分析电磁谐振腔系统。然而，限制性的假设以及缺乏与麦克斯韦方程组的严格联系，限制了 TCMT 表述的普适性与鲁棒性。在此，我们提出黑箱耦合模理论（BBCMT），这是一种从麦克斯韦方程组和准正则模（QNM）理论发展而来的通用从头算 CMT 框架，用于建模色散、有损和开放谐振腔的电磁相互作用。通过运用坡印廷定理和共轭互易定理来严格归一化 QNM 并计算其展开系数，得以建立 BBCMT。我们新颖的 QNM 分析方法允许定义一个谐振腔哈密顿矩阵来表征各模态的电磁相互作用、能量存储与吸收。独特的是，BBCMT 框架通过将谐振腔散射场视为背景结构散射场的微扰，能够捕捉谐振腔的非共振散射与吸收，而该背景结构可根据所需的精度-简洁性权衡灵活选取。BBCMT 的建模复杂度可进一步通过调整来降低，即将谐振腔系统中用户定义的子组件视为仅由其输入-输出传输特性描述的黑箱。除 BBCMT 表述外，我们提出两个引理，以从计算或测量的远场谱反演建模参数。此外，我们引入控制理论中的信号流图来阐释、解释并求解 BBCMT 方程。为证明 BBCMT 的有效性与普适性，我们将 BBCMT 与 TCMT 对两个等离子体纳米谐振腔系统的预测与有限差分时域仿真进行比较，发现 BBCMT 结果吻合得更好。在特定约束与近似下，BBCMT 可退化为 TCMT 或腔微扰理论。
引用
@article{arxiv.2011.10035,
title = {Black-Box Coupled-Mode Theory: An Ab Initio Framework to Model Electromagnetic Interactions of Open, Lossy, and Dispersive Resonators},
author = {Seied Ali Safiabadi Tali and Luqi Yuan and Wei Zhou},
journal= {arXiv preprint arXiv:2011.10035},
year = {2020}
}