Головна Приклади Знімки екрана Інструкція користувача Логотип Bluesky. YouTube ☰
OghmaNano Мультифізична платформа для моделювання оптоелектронних пристроїв і фотонних систем. ЗАВАНТАЖИТИ Короткий посібник зі швидкого старту

Навчальний посібник FDTD: інтегрований фотонний кільцевий резонатор.

SEM image of a ring resonator, an example photonic integrated circuit (PIC) component.
Приклад кільцевого резонатора, який використовується у фотонній інтегрованій схемі (ФІС).

1. Огляд: що ви будете моделювати.

Фото́нний кільцеви́й резона́тор — це компактна оптична порожнина, утворена замкнутим хвилеводом, розміщеним поруч з одним або кількома прямими хвилеводами, що слугують оптичною шиною. Світло, яке вводиться в оптичну шину, може за допомогою еванесцентного зв’язку передаватися в кільце. Коли оптична довжина шляху в кільці відповідає умові резонансу (mλ = neffL), відбувається конструктивна інтерференція, внаслідок якої всередині порожнини накопичується циркулююча потужність. Довжини хвиль, які не відповідають умові резонансу, не ефективно передаються і залишаються в оптичній шині.

Завдяки цій властивості селективної реакції на довжину хвилі, кільцеві резонатори широко використовуються у фотонних інтегрованих схемах (ФІС) для фільтрації, мультиплексування з поділом за довжиною хвилі (МПДХ), модуляції, сенсорики та маршрутизації сигналів на чипі. Їх можна знайти в кремнієвих фотонних платформах для передачі даних, систем LiDAR, біосенсорів та інтегрованих оптичних процесорів сигналів. Їхні невеликі розміри, сумісність із технологією CMOS і здатність до значного підсилення поля роблять їх однією з основних складових сучасної інтегрованої фотоніки.

У цьому навчальному посібнику ми досліджуємо типову структуру кільцевого резонатора (див. ??), використовуючи метод скінченних різниць у часовій області (FDTD). Ми вводимо направлену хвилю в прямий хвилевод, спостерігаємо за явищем згасаючої сполуки в кільці та відстежуємо, як оптична потужність змінюється з часом.

За допомогою цієї симуляції ви зможете:

З чисельної точки зору, цей приклад демонструє повний цикл роботи FDTD-методу: визначення геометрії, введення джерела, застосування ідеально узгоджених поглинаючих шарів (CPML), дискретизація часу та отримання даних детектора. З фізичної точки зору, він дає уявлення про резонанс, силу взаємодії та час життя резонатора в інтегрованих фотонних пристроях.

2. Створення нової моделі.

Відкрийте вікно «Нова симуляція» та оберіть категорію «Приклади FDTD» (??). Потім оберіть приклад «Інтегрований фотонний кільцевий резонатор» (??). Це завантажить основний інтерфейс, показаний на ??.

OghmaNano New simulation window showing categories including an FDTD examples option.
Нове вікно моделювання. Відкрити приклади FDTD.
FDTD example list including Integrated Photonics Ring Resonator.
Список прикладів FDTD. Оберіть інтегрований фотонний кільцевий резонатор.
Main OghmaNano window showing a 3D view of a ring resonator coupled to a straight waveguide.
Основний інтерфейс OghmaNano після завантаження прикладу кільцевого резонатора.

3. Орієнтування в основному вікні

Пристрій відображається у тривимірному вигляді на вкладці «Структура пристрою» (??). На вкладці «Термінал» відображаються результати роботи обчислювального модуля під час виконання, а на вкладці «Результати» перелічуються файли, створені в процесі моделювання (знімки екрана, дані детекторів та експортовані файли конфігурації).

У цьому прикладі ви переважно використовуватимете:

4. Запуск моделювання.

Terminal tab showing the FDTD module starting, timestep and wavelength information, and OpenCL device selection.
Вкладка «Термінал» під час виконання розрахунку методом FDTD. Використовуйте її для підтвердження значення часового кроку, довжини хвилі та вибору відповідних налаштувань.
Output tab listing files produced by the ring resonator simulation including detector outputs and snapshots directory.
Вкладка «Результати» після завершення обробки. Відкрийте папку snapshots/ і перегляньте результати роботи детектора.

5. Перегляд знімків розподілу потужності.

Відкрийте папку виводу snapshots/ (у вкладці «Вивід»), щоб запустити переглядач знімків. Відобразіть файл щільності потужності (наприклад, power_density.csv) і використовуйте повзунок для перегляду знімків у часі. Типові знімки показано на ??–??.

Коли джерело починає випромінювати сигнал у хвилевод автобуса, ви повинні побачити, як енергія поширюється до області сполучення, а потім передається в кільце. На подальших знімках видно циркуляцію та накопичення в кільці, після чого відбувається стабільна передача сигналу до вихідного хвилеводу.

Snapshot viewer showing early-time power density in the simulation domain.
Знімок розподілу потужності на початковому етапі: первинна емісія та передавання в основний хвилевод.
Snapshot viewer showing power density as the field reaches the coupling region.
Енергія досягає зони з’єднання і починає взаємодіяти з кільцем.
Snapshot viewer showing power density circulating around part of the ring.
Циркуляція всередині кільця стає помітною, коли енергія передається від шини до резонатора.
Snapshot viewer showing power density in the bus and ring at a later time.
Знімок, зроблений пізніше: розподіл енергії стабілізується по всій шині та в кільцевій мережі.
Snapshot viewer showing a later-time power density distribution with clear ring build-up and output routing.
На прикладі знімка, зробленого пізніше, чітко видно формування кільця та його направлення до вихідного хвилеводу.

6. Перегляд даних, отриманих від детекторів.

У цьому прикладі використано два детектори, розміщені на вихідних хвилеводах. Відкрийте кожен файл детектора на вкладці «Вихід» (див. ??) і побудуйте графік записаного сигналу в залежності від часу. Вихідні дані двох детекторів показано на ?? і ??.

(Тут має бути зображення: detector0-output.jpg)
(Тут має бути зображення: detector1-output.jpg)

Під час стабільної роботи в режимі безперервної передачі (CW) слід очікувати, що показники детектора наближатимуться до постійного значення після початкової перехідної фази. Якщо ви спостерігаєте постійні коливання або зміщення базової лінії, це зазвичай свідчить про те, що: (i) використовується широкосмугове збудження (а не справді одночастотне), (ii) відбуваються відбиття від меж/портів або (iii) геометрія недостатньо чітко визначена, що призводить до дисперсії.

7. Регулювання джерела світла: безперервне (CW) проти імпульсного збудження.

Відкрийте редактор джерела світла для моделювання та знайдіть налаштування форми хвилі збудження (??). Перейдіть від збудження у вигляді безперервного сигналу/гаусової синусоїди до імпульсної форми хвилі (??). Потім повторно запустіть моделювання та порівняйте вихідні дані детектора.

(Тут має бути зображення: light-src.jpg)
(Тут потрібно вставити зображення: pulse1.jpg)

У разі імпульсного збудження часова послідовність, що реєструється детектором, має демонструвати чітку перехідну характеристику: спочатку спостерігається швидке зростання, коли енергія передається в кільце, а потім – спад після проходження імпульсу та вивільнення накопиченої енергії через передачу та втрати. Якщо вам потрібен єдиний числовий показник, який би відображав «ступінь резонансу» пристрою, виміряйте константу спаду на графіку детектора після піку імпульсу; це є прямим показником ефективного часу життя резонатора в цій конфігурації.

8. Швидкі перевірки та типові причини несправностей

👉 Наступний крок: коли ви будете задоволені поведінкою детектора, наступним логічним кроком буде сканування довжини хвилі (або короткий широкосмуговий імпульс + швидке перетворення Фур’є), щоб отримати резонансний спектр і оцінити \(Q\) за шириною лінії.

6. Перегляд даних, отриманих від детекторів.

Після завершення процесу, відкрийте вкладку «Результати» та знайдіть файл power.csv (??). Подвійне клацання по цьому файлу відкриє вікно для перегляду параметрів живлення обраного детектора.

OghmaNano Output tab showing power.csv, which opens the detector power-versus-time plot when double-clicked.
Папка виводу, що містить файл power.csv, який відкриває вікно перегляду параметрів живлення детектора.
Detector 0 power versus time plot. Power rises rapidly and shows oscillations as the resonator response builds up.
Детектор 0: потужність швидко зростає та коливається під час початкового нарощування.
Detector 1 power versus time plot. Signal appears later than detector 0 because the monitored port is further along the coupling path.
Детектор 1: затримка виникнення сигналу пов’язана з тим, що енергії потрібно поширитися та взаємодіяти зі структурою, перш ніж досягти цього порту.

Порівняйте ?? і ??. Ближній детектор реагує раніше, тоді як дальній детектор реагує пізніше, оскільки поле має поширюватися через область з’єднання шини/кільця, а потім досягати контрольованого порту.

7. Перехід до імпульсного режиму збудження.

Параметри джерела редагуються в розділі «Оптична стрічка» (??). Натисніть «Джерела світла», щоб відкрити редактор джерел світла, який показано на ??.

OghmaNano Optical ribbon showing the Light Sources button and other optical tools.
Оптична стрічка. Використовуйте джерела світла для редагування збудження в методі FDTD.

У редакторі джерела світла відкрийте вкладку FDTD і встановіть форму хвилі у вигляді гаусової синусоїдальної імпульсної хвилі. Це замінить безперервну хвилю на короткий імпульс, що містить несучу частоту, що дасть змогу чіткіше побачити затримку поширення та наростання амплітуди в резонаторі.

Light source editor with the FDTD tab selected, showing waveform set to Gaussian sine pulse and polarisation settings.
Редактор джерела світла (вкладка FDTD): встановіть форму хвилі на гауссів імпульс у вигляді синусоїди.
Snapshot of the ring resonator simulation shortly after a pulsed excitation, showing the pulse entering and starting to couple into the ring.
Імпульсний режим роботи: знімок, зроблений на початковому етапі, який показує, як введений імпульс проникає в структуру.
Snapshot later in time showing pulse energy circulating in the ring and coupling back into the bus waveguide.
Імпульсний режим роботи: знімок, зроблений пізніше, який показує циркуляцію та динаміку взаємодії в кільці.

Повторіть моделювання, а потім знову відкрийте графіки детектора (??, ??). У разі наявності імпульсу, сигнали детектора зазвичай демонструють чіткіший початок, скінченну затримку між портами та згасання/затухання, що відображає втрати та силу зв’язку.