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FIMMPROP  雙向光傳播工具

Photon Design官網: www.photond.com/products/fimmprop.htm

●採用嚴格的麥克斯韋方程解決半解析、全向量的3D傳播

●高折射率對比:輕鬆模擬矽光子電子學和III-V器件

●沒有緩慢變化近似:模擬廣角問題

●雙向運算:模擬所有內反射

●全面相容FIMMWAVE模式求解器

●使用散射矩陣,進行快速優化設計

●MMI耦合器、週期結構、錐形結構,彎曲結構的快速設計

●對於大部分的設備,要比BPM更快和更準確

●任意結構的靈活設計介面

●EME為設計器件提供強大的物理見解

●先進的像場視覺化,研究模式能量演變

FIMMPROP是什麼

FIMMPROP是一個革命性的工具,用於模擬波導中的2D和3D光傳輸。

FIMMPROP的核心是一個非常高效率的計算引擎EME,給出波動方程的嚴格求解,是全向量和雙向的求解,並考慮到中間節點的所有反射。

這樣使得FIMMPROP 具有準確模擬其他方法(比如BPM)不能類比的結構的功能,包含高折射率對比結構,用於矽和III-V半導體光子學。

運算方法經過幾年的更新,優化速度得到飛速提升,因此對於其他技術能夠解決的結構,只需花費很少的時間就可以解決。

通過組裝預先確定的元件,像簡單的直邊結構、彎曲結構、錐形結構和週期結構等等,再將它們插入其他使用者組裝的元件中,這種靈巧的設計模式讓類比複雜系統變得很容易。

使用簡便、計算速度快捷,使得FIMMPROP 成為設計波導器件的理想工具,像錐形結構,MMI耦合器,模式轉換器、平行耦合器(比如偏振轉換器)、分路器等等。

 

計算方法

採用EME方法解決光線傳播。沿z軸變化的結構是將兩個或更多的直部件疊加在一起來模擬的。一旦找到結構的局部模式,在部件長度方向的傳播是准暫態的。計算允許在每個接點模式的傳播係數和反射係數都在全雙向傳播運算中用到。這個運算方法建立了裝置及其所有元件的散射矩陣描述,這就意味著一旦矩陣生成,不需要近一步的計算,就可以得到不同輸入資料的回應,比如,你想得到TE和TM激勵的響應。此外,如果你改變了結構,程式只需要計算改變的元件。在自由空間中的傳播,比如雷射器面和光纖,將會使用高效的平面波展開法來處理。

什麼是EME

EME(EigenMode Expansion)基於本征模展開,是一種模擬波導中光傳輸的強大演算法。對於模擬集成光路是一種理想工具,尤其廣泛適用于具有高折射率對比的矽光電子中。

●雙向傳播演算法

●快速模擬,快於BPM和FDTD

●廣角模擬(比如:SOI MMI耦合器)

●高效模擬長器件

●快速設計優化:掃描參數時,掃描矩陣允許快速更新結果

●更直觀的理解器件的物理特性

 

強大的設計介面

FIMMPROP提供了非常靈活的方式來設計沿z軸變化的結構,這樣的結構具有任意的維度和折射率變數。彎曲波導的彎曲校準也能被輕鬆模擬出來。

這種模組化的特性已經被FIMMPROP完全開發出來了,模組化設計範例利用所有元件的對稱性和重複性。

另外,FIMMPROP可以用任意深度將元件插入其它元件中,這樣不僅可以

輕鬆創建複雜的結構,也可以讓FIMMPROP開發結構的對稱性和重複性。

掃描工具

效率是我們所關注的,因此任何結構參數的改變,都只會重新計算最小值。特別的是,如果參數改變而橫截面沒有改變(即長度,偏離,傾斜),那麼在改進的結構中信號傳輸的再計算會很快。為了實現這個,FIMMPROP生成了一個掃描器,這樣就可以連續改變結構參數。它提供了快速和直觀的圖形來優化你的結構,簡化使用其它數值方法不能實現的設計流程。

雙向計算法則

     FIMMPROP中的雙向演算法具有很強的優越性。大部分雙向傳輸是具有反覆運算性的,經過前向和後向反射後,希望振幅很小,這樣的演算法不能有效解決高反射率結構。FIMMPROP中的雙向散射矩陣能夠解決任意數量的反射面,甚至非常高的反射率面,以此帶來很多新的應用。例如,模擬諧振腔,比如法布裡珀羅結構;光子能帶隙晶體結構。

設計絕熱結構:錐形、Y型連接器、光斑尺寸轉換器:

FIMMPROP適用於設計連續變化的結構,比如Y型連接器和錐形結構。通過計算,決定其絕熱耦合的長度,其速度快于傳統光學傳輸方法。而且,對於錐形結構,可以類比任意廣角和高折射率形式,此時FIMMPROP在求解Maxwell方程時並沒有使用近似。如下圖所示,可以看到錐型光斑尺寸在轉換器剖面上能量的演變。

模擬SOI環形諧振腔:

FIMMPROP可以在很短的時間裡使用3D模型準確類比環形諧振腔耦合範圍,甚至一些大型環形諧振腔,這些大型環形諧振腔不能使用FDTD來模擬。

EME允許我們根據本地模式求解結構,是一種類比耦合的非常有效的方法。耦合效率依據環形腔的彎曲模式,允許直接插入解析模型。

採用彎曲模式可以很快計算環形諧振腔,而FDTD使用相同的時間只能得到粗略的估計。

複環形諧振腔回路的模擬可以和Photon Design的另外一個光子回路模擬模組PICWave聯合使用。

MMI耦合器設計:

優化一個1×8的MMI耦合器:波長為1.103um,在AlGaAs/GaAs波導材料上,建立一個1×8 MMI耦合器的3D模型。

耦合部分的長度和輸出波導的位置都可以進行優化。如下圖所示,最佳的耦合長度僅僅幾秒鐘就優化出來了,得到傳輸效率為92.46%。

使用EME演算法,得到每個部分的本征模,改變任意部分的長度之後,重新計算是很快的。同樣的設計使用BPM演算法將花費很長的時間,而且還沒有考慮BPM演算法中大量的近似。

類比光纖傳輸:

在FIMMPROP中,可以使用FIMMWAVE中的基於有限差分方法和貝塞爾方程全向量求解器。使用此求解器可以類比錐形光纖結構、光纖布拉格光柵,以及任意圓柱形結構,包括金屬結構。

下圖所示,金屬塗覆層的錐形光纖,用於光學顯微鏡的近場掃描。玻璃光纖外的金屬塗層厚度為22nm,半徑從1um到300nm,長度7.5um。左邊的圖顯示

的是尖端的場的剖面

使用Kallistos優化短錐形:

FIMMPROP可以和自行研發的優化工具Kallistons結合使用,用來優化只有7um長的錐形結構的橫向剖面,從而提高傳輸效率。

這個優化工具允許掃描很大範圍角度的剖面,如下圖所示,一個獨特結構,傳輸效率為92%。如果使用線性變化的錐形結構得到同樣的傳輸效率,則這個結構的長度要增長三倍。

優化工具列裡面有九個獨立的參數定義錐形結構的不同位置的寬度。使用樣條擬合參數就可以生產這個錐形結構的剖面。

客戶服務介面

幾乎所有的程式都可以被TCP/IP程式控制。不僅僅是改變參數、建立結構,所有的結果都可以重新送到運算法則中重新優化。我們可以提供客戶示例程式的代碼。

圖形工具

FIMMPROP具有高效的視覺化工具,可以在軸向方向上看到前場、後場或整個傳播場,也可以看到任意橫截面的傳播場。你可以看到以z(傳播方向)為方程的任意模式的能量和模式剖面圖。

運行平臺

PC: x86/x64,XP/Vista/Win7, 2G RAM, Core2Duo 1GHz或更高。

   
   
   
   
   

 


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