آموزش FDTD: مدولاتور سیلیکونی Mach–Zehnder
1. مرور کلی: آنچه شبیهسازی خواهید کرد
یک مدولاتور Mach–Zehnder (MZM) یک مؤلفه فوتونیکی تداخلی است که سیگنال کنترل الکتریکی را به تغییر دامنه (یا شدت) نوری تبدیل میکند. نور به دو بازوی موجبر تقسیم میشود، اختلاف فاز نسبی جمع میکند، و سپس دوباره ترکیب میشود. توان خروجی به رابطه فازی بین دو بازو بستگی دارد: وقتی بازوها در فاز ترکیب شوند خروجی روشن است، و وقتی خارج از فاز ترکیب شوند خروجی سرکوب میشود.
در فوتونیک سیلیکونی، MZMها بهطور گسترده در ارتباطات داده با سرعت بالا، اپتیک همدوس، میاناتصالهای نوری، و فوتونیک مایکروویو مجتمع استفاده میشوند. دستگاههای عملی معمولاً کنترل فاز را با استفاده از مکانیزمهای الکترو-اپتیکی موجود در پلتفرم پیادهسازی میکنند (برای سیلیکون اغلب پراکندگی حامل از طریق پیوندهای PN، خازنهای MOS، یا گرمکنها برای تنظیم ترمو-اپتیکی). صرفنظر از مکانیزم تحریک، هسته نوری دستگاه یکسان است: یک تقسیمکننده، دو بازوی هدایتشده، و یک بازترکیبکننده.
در این آموزش، یک شبیهسازی FDTD از یک ساختار نماینده مدولاتور سیلیکونی Mach–Zehnder اجرا خواهید کرد. هدف در اینجا ساخت یک همشبیهسازی کامل الکتریکی نیست؛ در عوض، از انتشار میدان در حوزه زمان استفاده میکنید تا شهود فیزیکی درباره نحوه تقسیم انرژی هدایتشده، حرکت آن در دو بازو، و بازترکیب آن در خروجی به دست آورید. شما تصاویر لحظهای چگالی توان را بررسی کرده و ردیفهای زمانی آشکارساز را تفسیر خواهید کرد، شامل تأخیر انتشار بین آشکارسازهایی که در بازوها قرار دارند و آشکارسازی که در پاییندست جایی قرار گرفته که دو بازو دوباره به هم میرسند.
از دیدگاه عددی، این مثال عمداً «سنگین» است: دامنه شبیهسازی نسبتاً بزرگ است و مقدار قابل توجهی داده روی دیسک مینویسد. این امر آن را به یک آزمون فشار مناسب برای کل پشته FDTD تبدیل میکند: تعریف هندسه، تزریق منبع، مرزهای جذبکننده CPML، گامبرداری زمانی، و استخراج آشکارساز، و همچنین خط لوله خروجی (snapshotها و نمایشگر آشکارساز).
2. ساخت یک شبیهسازی جدید
پنجره New simulation را با کلیک روی دکمه شبیهسازی جدید باز کنید. در این پنجره، دسته FDTD examples را انتخاب کنید و سپس دوبار کلیک کنید روی مثال Silicon Mach–Zehnder modulator (در پایین فهرست قرار دارد). هنگامی که درخواست شد، شبیهسازی را روی یک دیسک محلی ذخیره کنید.
این مثال در طول اجرا فایلهای زیادی مینویسد (snapshotها، خروجی آشکارسازها، و دادههای میانی). به همین دلیل، از ذخیره آن روی درایو شبکه یا پوشههای همگامسازیشده ابری (برای مثال OneDrive) خودداری کنید. یک SSD محلی ایدهآل است. اگر آن را روی حافظه کند ذخیره کنید ممکن است زمان اجرا بهشدت افزایش یابد یا رابط کاربری هنگام نوشتن خروجی کند شود.
3. آشنایی با پنجره اصلی
دستگاه در نمای سهبعدی در تب Device structure ظاهر میشود (??). باید بتوانید دو بازوی تداخلسنج (مسیرهای موجبر شبیه racetrack) و اشیای آشکارساز رنگی (بنفش، سبز، و قرمز) را که در طول ساختار قرار داده شدهاند شناسایی کنید. رنگ دقیق مهم نیست، اما کمک میکند بهراحتی ببینید سیگنال در کجا در هندسه پایش میشود.
برای این مثال عمدتاً از موارد زیر استفاده خواهید کرد:
- Run simulation (▶) یا F9 برای شروع محاسبه FDTD.
- تب Output برای باز کردن snapshotها و فایلهای آشکارساز.
- Snapshot viewer برای حرکت در زمان و مشاهده تغییر چگالی توان.
- Detector power viewer برای رسم رد زمانی
power.csvبرای هر آشکارساز.
4. اجرای شبیهسازی
اجرا را با فشردن F9 یا کلیک روی دکمه play آبی (▶) شروع کنید. این شبیهسازی نسبتاً بزرگ است و به زمان قابل توجهی برای تکمیل نیاز دارد زیرا شبکه بزرگ است و snapshotها و دادههای آشکارساز را روی دیسک مینویسد.
روی یک لپتاپ نسبتاً قدرتمند، یک اجرای معمولی حدود 10–15 دقیقه طول میکشد.
در حالی که اجرا در حال پیشرفت است، میتوانید تب Output را باز کنید و
مشاهده کنید که فایلها ظاهر میشوند. بهویژه دایرکتوری snapshots/
و خروجیهای آشکارساز (Detector 0، Detector 1، Detector 2) را خواهید دید.
5. مشاهده snapshotهای چگالی توان
پوشه snapshots/ را از تب Output باز کنید
(??)
تا snapshot viewer اجرا شود. یک پنجره نمونه snapshot viewer در
?? نشان داده شده است.
با استفاده از دکمه plus آبی، powerdensity.csv را به نمایشگر اضافه کنید.
سپس میتوانید با استفاده از لغزنده در زمان حرکت کنید.
مفیدترین روش برای مشاهده این شبیهسازی دنبال کردن انرژی هدایتشده در حین انتشار در دستگاه است. در زمانهای اولیه میبینید منبع در موجبر ورودی تزریق میشود و به ناحیه تقسیمکننده میرسد. با گذشت زمان، توان بین دو بازو تقسیم میشود. snapshotهای بعدی انتشار توان در طول بازوهای racetrack را نشان میدهند. در مراحل بعدی، دو بازو دوباره ترکیب میشوند و میتوانید هدایت انرژی به بخش خروجی را مشاهده کنید.
snapshotهای نماینده در ??– ?? نشان داده شدهاند. حتی بدون تغییر پارامترهای دستگاه نیز مشخص است که این یک ساختار تداخلی است: انرژی تقسیم میشود، دو مسیر فیزیکی جداگانه را دنبال میکند، و سپس دوباره ترکیب میشود.
7. بررسی مود هدایتشده
برای درک بهتر عملکرد شبیهسازی، مفید است که روی مود هدایتشده درون موجبر بزرگنمایی کنید. نمونهای از این حالت در ?? نشان داده شده است.
مود به صورت دنبالهای از نقاط یا قطعات خط کوتاه ظاهر میشود. این ظاهر تنها یک اثر جانبی از روش رندر در snapshot viewer است: میدانها به صورت نقاط نمونهبرداری گسسته رسم میشوند تا بار GPU کاهش یابد و شبیهسازیهای بزرگ بتوانند به صورت تعاملی نمایش داده شوند.
میتوانید با استفاده از دکمه colour wheel در نوار ابزار snapshot viewer سبکهای بصری مختلف را امتحان کنید. این کار نقشه رنگ مورد استفاده برای نمایش چگالی توان را تغییر میدهد.
این پایان آموزش مدولاتور Mach–Zehnder است. با آزمایش طول موج، تفکیک مش، و پارامترهای منبع میتوانید بررسی کنید که چگونه ساختارهای فوتونیکی میدانهای نوری را در مدارهای فوتونیک مجتمع هدایت، محصور، و کنترل میکنند.