Εκπαιδευτικό πρόγραμμα FDTD: Ολοκληρωμένος Φωτονικός Δακτυλιοειδής Συντονιστής.
1. Επισκόπηση: τι θα προσομοιώσετε.
Ένας φωτονικός δακτυλιοειδής συντονιστής είναι μια συμπαγής οπτική κοιλότητα που σχηματίζεται από έναν κλειστό κυκλικό οπτικό αγωγό, τοποθετημένο δίπλα σε έναν ή περισσότερους ευθείς οπτικούς αγωγούς. Το φως που εισάγεται στον ευθύ αγωγό μπορεί να συζευχθεί στον δακτύλιο μέσω της εξάτμισης. Όταν το οπτικό μήκος διαδρομής του δακτυλίου ικανοποιεί τη συνθήκη συντονισμού (mλ = neffL), η εποικοδομητική συμβολή δημιουργεί αυξανόμενη κυκλοφορούσα ισχύ μέσα στην κοιλότητα. Οι μήκη κύματος που δεν είναι σε συντονισμό δεν συζεύχονται αποτελεσματικά και παραμένουν στον ευθύ οπτικό αγωγό.
Λόγω αυτής της συμπεριφοράς επιλεκτικής απόκρισης στο μήκος κύματος, οι δακτυλιοειδείς συντονιστές χρησιμοποιούνται ευρέως σε φωτονικές ολοκληρωμένες κυκλώματα (PIC) για φιλτράρισμα, οπτική διαίρεση πολλαπλών κυμάτων (WDM), διαμόρφωση, ανίχνευση και δρομολόγηση σημάτων εντός του τσιπ. Χρησιμοποιούνται σε πλατφόρμες σιλικόνιο-φωτονικής για επικοινωνίες δεδομένων, συστήματα LiDAR, βιοαισθητήρες και ολοκληρωμένους οπτικούς επεξεργαστές σημάτων. Το μικρό τους μέγεθος, η συμβατότητά τους με την τεχνολογία CMOS και η ισχυρή ενίσχυση πεδίου τα καθιστούν ένα από τα θεμελιώδη δομικά στοιχεία της σύγχρονης ολοκληρωμένης φωτονικής.
Σε αυτό το εκπαιδευτικό υλικό, εξετάζουμε μια τυπική δομή οπτικού δακτυλιοειδούς συντονιστή (δείτε ??) χρησιμοποιώντας τη μέθοδο των πεπερασμένων διαφορών στο πεδίο του χρόνου (FDTD). Εισάγουμε μια καθοδηγούμενη διαμόρφωση σε έναν ευθύγραμμο οπτικό αγωγό, παρατηρούμε τη διάχυτη σύζευξη στον δακτύλιο και παρακολουθούμε πώς η οπτική ισχύς μεταβάλλεται με την πάροδο του χρόνου.
Η προσομοίωση σας επιτρέπει να:
- Οπτικοποιήστε την εξέλιξη του πεδίου στον χρονικό τομέα και τις στιγμιαίες τιμές της πυκνότητας ισχύος.
- Παρατηρήστε τη συσσώρευση και τη διάσπαση της ενέργειας μέσα στην κοιλότητα.
- Μετρήστε την εκπεμπόμενη και τη μεταδιδόμενη ισχύ χρησιμοποιώντας ανιχνευτές στον χρονικό τομέα.
- Συγκρίνετε τις αποκρίσεις που προκύπτουν από συνεχή (CW) και παλμική διέγερση.
Από αριθμητική άποψη, αυτό το παράδειγμα αξιοποιεί πλήρως τη στοίβα FDTD: ορισμός της γεωμετρίας, εισαγωγή πηγής, απορροφητικά όρια τέλειας αντιστοίχισης (CPML), χρονική εξέλιξη και εξαγωγή δεδομένων από τον ανιχνευτή. Από φυσική άποψη, παρέχει μια διαισθητική κατανόηση της συντονιστικής συχνότητας, της έντασης της σύζευξης και του χρόνου ζωής της κοιλότητας σε ολοκληρωμένες φωτονικές συσκευές.
2. Δημιουργία μιας νέας προσομοίωσης.
Ανοίξτε το παράθυρο της νέας προσομοίωσης και επιλέξτε την κατηγορία παραδειγμάτων FDTD (??). Στη συνέχεια, επιλέξτε το παράδειγμα «Ολοκληρωτικός Φωτονικός Δακτυλιοειδής Συντονιστής» (??). Αυτό φορτώνει την κύρια διεπαφή που εμφανίζεται στην εικόνα ??.
3. Προσδιορισμός της θέσης σας στο κύριο παράθυρο.
Η συσκευή εμφανίζεται στην τρισδιάστατη προβολή στην καρτέλα «Δομή συσκευής» (??). Η καρτέλα «Τερματικό» εμφανίζει τα αποτελέσματα του προγράμματος επίλυσης κατά τη διάρκεια της εκτέλεσης, ενώ η καρτέλα «Έξοδος» καταγράφει τα αρχεία που δημιουργούνται από την προσομοίωση (στιγμιότυπα, ανιχνευτές και εξαγωγές διαμόρφωσης).
Για αυτό το παράδειγμα, θα χρησιμοποιήσετε κυρίως:
- Εκτελέστε την προσομοίωση (▶) για να ξεκινήσει ο υπολογισμός FDTD.
- Επιλέξτε την καρτέλα "Terminal" για να επιβεβαιώσετε την απόσταση της γραμμής, το χρονικό βήμα, το εύρος μήκους κύματος και την επιλογή της συσκευής OpenCL.
- Κάντε κλικ στην καρτέλα "Έξοδος" για να ανοίξετε τις στιγμιότυπες εικόνες και τα αρχεία ανιχνευτή.
4. Εκτέλεση της προσομοίωσης.
snapshots/ και δείτε τα αποτελέσματα του ανιχνευτή.5. Προβολή στιγμιότυπων της ισχύος πυκνότητας.
Ανοίξτε τον φάκελο εξόδου snapshots/ (από την καρτέλα "Έξοδος") για να ανοίξετε το πρόγραμμα προβολής στιγμιότυπων. Εμφανίστε το αρχείο πυκνότητας ισχύος (για παράδειγμα, power_density.csv) και χρησιμοποιήστε τη διαφάνεια για να μετακινηθείτε στον χρόνο. Ενδεικτικά στιγμιότυπα εμφανίζονται στις εικόνες ??–??.
Καθώς η πηγή εκπέμπει σήμα στον οπτικό αγωγό του διαύλου, θα πρέπει να παρατηρήσετε την ενέργεια να διαδίδεται προς την περιοχή σύζευξης και στη συνέχεια να εισέρχεται στον δακτύλιο. Σε μεταγενέστερες στιγμές, θα δείτε την κυκλοφορία και τη συσσώρευση ενέργειας στον δακτύλιο, ακολουθούμενη από σταθερή διοχέτευση προς τον οπτικό αγωγό εξόδου.
6. Προβολή των αποτελεσμάτων του ανιχνευτή.
Αυτό το παράδειγμα περιλαμβάνει δύο ανιχνευτές που είναι τοποθετημένοι στις έξοδους των οπτικών αγωγών. Ανοίξτε κάθε αρχείο ανιχνευτή από την καρτέλα "Έξοδος" (δείτε ??) και σχεδιάστε το καταγεγραμμένο σήμα σε σχέση με τον χρόνο. Οι έξοδοι των δύο ανιχνευτών εμφανίζονται στις εικόνες ?? και ??.
Σε σταθερή λειτουργία CW, θα πρέπει να αναμένετε ότι οι ενδείξεις του ανιχνευτή θα πλησιάζουν μια σταθερή τιμή μετά από μια αρχική μεταβατική περίοδο. Εάν παρατηρήσετε επίμονη παρεμβολή ή μια γραμμή βάσης που μεταβάλλεται, αυτό συνήθως υποδεικνύει είτε (i) ευρυζωνική διέγερση (όχι πραγματικά μονοσυχνότητα), (ii) ανακλάσεις από όρια/θύρες ή (iii) μια γεωμετρία που δεν έχει επιλυθεί επαρκώς, η οποία εισάγει διασπορά.
7. Επεξεργασία της πηγής φωτός: Συνεχής έναντι παλμικής διέγερσης.
Ανοίξτε τον επεξεργαστή της πηγής φωτός για την προσομοίωση και εντοπίστε τις ρυθμίσεις του σχήματος του διεγερτικού παλμού (??). Αλλάξτε από ένα συνεχές/γαυσσιανό-ημιτονοειδές σχήμα διεγερτικού παλμού σε ένα παλμικό σχήμα (??). Στη συνέχεια, εκτελέστε ξανά την προσομοίωση και συγκρίνετε τις εξόδους του ανιχνευτή.
Σε περίπτωση παλμικής διέγερσης, η χρονοσειρά του ανιχνευτή θα πρέπει να εμφανίζει μια σαφή παροδική απόκριση: μια αρχική αύξηση καθώς η ενέργεια εισέρχεται στον δακτύλιο, ακολουθούμενη από μια μείωση μόλις περάσει ο παλμός και η αποθηκευμένη ενέργεια διαχέεται μέσω της σύζευξης και της απώλειας. Εάν θέλετε μια συνοπτική αριθμητική τιμή που να δείχνει «πόσο συντονισμένη» είναι η συσκευή, μετρήστε τη σταθερά αποσύνθεσης στην χρονοσειρά του ανιχνευτή μετά την κορύφωση του παλμού· αυτή αποτελεί άμεσο δείκτη της αποτελεσματικής διάρκειας ζωής της κοιλότητας σε αυτή τη διαμόρφωση.
8. Γρήγοροι έλεγχοι και συνηθισμένες αιτίες αστοχίας.
- Δεν ανιχνεύεται σήμα στους ανιχνευτές: ελέγξτε τον προσανατολισμό/την πόλωση της πηγής και βεβαιωθείτε ότι οι ανιχνευτές είναι τοποθετημένοι στις καθορισμένες περιοχές και όχι στην περιοχή PML.
- Έντονη ψευδής ακτινοβολία: ελέγξτε την ανάλυση του πλέγματος στα όρια των υλικών και επαληθεύστε τις ρυθμίσεις εξομάλυνσης/μέσου όρου υπο-εικονοστοιχείων, εάν είναι ενεργοποιημένες.
- Ασταθής εξέλιξη: το χρονικό βήμα είναι πολύ μεγάλο (CFL). Μειώστε το
dtή αυξήστε την χωρική ανάλυση με συνέπεια. - Απροσδόκητες ανακλάσεις: ελέγξτε την τερμάτιση της θύρας, το πάχος του PML και βεβαιωθείτε ότι οι πηγές/ανιχνευτές δεν είναι πολύ κοντά στα όρια.
👉 Επόμενο βήμα: Αφού είστε ικανοποιημένοι με τη συμπεριφορά του ανιχνευτή, η επόμενη λογική κίνηση είναι η εκτέλεση μιας σάρωσης μήκους κύματος (ή η εκπομπή ενός σύντομου ευρυζωνικού παλμού + μετασχηματισμός Fourier) για την εξαγωγή του φάσματος συντονισμού και την εκτίμηση του \(Q\) από το πλάτος της γραμμής.
6. Προβολή των αποτελεσμάτων του ανιχνευτή.
Μετά την ολοκλήρωση της εκτέλεσης, ανοίξτε την καρτέλα "Έξοδος" και εντοπίστε το αρχείο power.csv (??). Κάνοντας διπλό κλικ σε αυτό το αρχείο, θα ανοίξει το παράθυρο προβολής της ισχύος του ανιχνευτή για τον επιλεγμένο ανιχνευτή.
power.csv, το οποίο ανοίγει την εφαρμογή προβολής της ισχύος του ανιχνευτή.
Συγκρίνετε τα ?? και ??. Ο κοντινός ανιχνευτής ανταποκρίνεται νωρίτερα, ενώ ο απομακρυσμένος ανιχνευτής ανταποκρίνεται αργότερα, επειδή το πεδίο πρέπει να διαδοθεί μέσω της περιοχής σύζευξης του διαύλου/δακτυλίου και στη συνέχεια να φτάσει στην παρακολουθούμενη θύρα.
7. Μετάβαση σε παλμική διέγερση.
Οι παράμετροι της πηγής τροποποιούνται από την οπτική κορδέλα (??). Κάντε κλικ στην επιλογή "Πηγές φωτός" για να ανοίξετε τον επεξεργαστή πηγών φωτός, όπως φαίνεται στην εικόνα ??.
Στον επεξεργαστή της πηγής φωτός, ανοίξτε την καρτέλα FDTD και ορίστε το σχήμα κύματος σε παλμό Gaussian sine. Αυτό αντικαθιστά την συνεχή διεγερτική ακτινοβολία με έναν σύντομο παλμό που περιέχει μια φορέα, επιτρέποντάς σας να δείτε πιο καθαρά την καθυστέρηση μετάδοσης και τη σταδιακή ενίσχυση του συντονιστή.
Επαναλάβετε την προσομοίωση και, στη συνέχεια, ανοίξτε ξανά τα γραφήματα του ανιχνευτή (??, ??). Όταν χρησιμοποιείται ένας παλμός, τα σήματα του ανιχνευτή συνήθως παρουσιάζουν μια πιο ευδιάκριτη έναρξη, μια πεπερασμένη καθυστέρηση μεταξύ των θυρών και μια εξασθένηση/απόσβεση που αντικατοπτρίζει την απώλεια και την ισχύ σύζευξης.