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【Lumerical案例實(shí)操】使用MODE模塊中的FDE和varFDTD進(jìn)行微環(huán)的設(shè)計(jì)和初步仿真

發(fā)布日期:
2024-09-18

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工作原理

傳統(tǒng)的上下載型微環(huán)諧振器(MRR)的基本結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示,它由兩個(gè)直波導(dǎo)和一個(gè)環(huán)形諧振腔構(gòu)成。當(dāng)光從輸入端耦合進(jìn)MRR后,會(huì)被限制在環(huán)形諧振腔內(nèi)循環(huán)傳輸,對(duì)于一些特定波長(zhǎng)的光,其在MRR中傳輸一周之后的相位變化量是2π的整數(shù)倍,使得該光會(huì)與輸入光發(fā)生相長(zhǎng)干涉,當(dāng)光不斷輸入MRR后,光能在MRR中穩(wěn)定分布,傳輸和貯存,這就是MRR的諧振態(tài)。而其他波長(zhǎng)的光無法與輸入光發(fā)生相長(zhǎng)干涉,使其無法在MRR中穩(wěn)定傳輸,這就是非諧振態(tài)。由相長(zhǎng)干涉的條件可知,對(duì)于諧振態(tài)的光,其會(huì)滿足公式下式:

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式中neff表示波導(dǎo)中光的有效折射率,L為環(huán)形諧振腔的長(zhǎng)度,m為整數(shù)。在耦合區(qū)域1中,假設(shè)直波導(dǎo)在耦合前后的電場(chǎng)強(qiáng)度的分別為A1和A2,而環(huán)形波導(dǎo)中的電場(chǎng)分別為B1和B2。在耦合區(qū)域2中,直波導(dǎo)兩側(cè)的電場(chǎng)強(qiáng)度分別為A4和A3,對(duì)應(yīng)的環(huán)形波導(dǎo)中的電場(chǎng)分別為B4和B3。定義其耦合系數(shù)為k,透過系數(shù)為t,環(huán)形波導(dǎo)內(nèi)的損耗系數(shù)為a,而光在環(huán)形波導(dǎo)中傳輸一周所積累的相位為φ=2πLneff/λ,通過計(jì)算可得直通端和下載端的傳輸響應(yīng):


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由上式可得其傳輸譜如圖1(b)所示。由圖可知,MRR的下載端能分離出處于諧振態(tài)的波長(zhǎng),因此該結(jié)構(gòu)具有波長(zhǎng)選擇性,多用于設(shè)計(jì)波分復(fù)用器件。
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圖1 (a)MRR結(jié)構(gòu)示意圖;(b)傳輸譜圖

MRR設(shè)計(jì)仿真實(shí)操

本次案例我們將展示如何使用MODE進(jìn)行MRR的設(shè)計(jì)。本次案例仿真主要分為如下步驟:

1、建立一個(gè)MRR模型。

2、添加FDE求解器,求解波導(dǎo)的群折射率以及耦合長(zhǎng)度等參數(shù)。

3、添加并設(shè)置varFDTD求解器。

4、加入光源以及其他監(jiān)視器(包括頻域監(jiān)視器,時(shí)間監(jiān)視器等)。

5、運(yùn)行仿真與結(jié)果分析。

案例實(shí)操:
第一步:在進(jìn)行模型建立時(shí)我們可以通過Lumerical軟件自帶的物件庫添加MRR結(jié)構(gòu),當(dāng)然也可以通過腳本編寫結(jié)構(gòu)與材料模型,這樣更有利于結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化掃描,本次仿真實(shí)操選擇直接從物件庫進(jìn)行添加。首先是加入SIO2襯底層,其具體參數(shù)如圖2所示。SI芯層是MRR結(jié)構(gòu),我們選擇直接在物件庫中添加,具體參數(shù)如圖3所示。

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圖2 SIO2襯底層參數(shù)



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圖3 MRR具體參數(shù)
第二步:在進(jìn)行參數(shù)確定時(shí),某些參數(shù)我們可以通過計(jì)算提前得出。比如MRR的自由光譜范圍(FSR)可表示為下式:


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其中λ表示波長(zhǎng),ng表示群折射率,因此,要想設(shè)計(jì)特定FSR的MRR,除了需要特定的環(huán)形諧振腔長(zhǎng)度L,還需要知道波導(dǎo)的群折射率。因此,我們將FDE求解器添加到輸入波導(dǎo)附近,如圖4(a)所示,通過計(jì)算可得波導(dǎo)的群折射率如圖4(b)所示,結(jié)果顯示在1550nm處波導(dǎo)的群折射率約為4.63。FDE求解器的具體參數(shù)設(shè)置如圖5所示。本次案例所設(shè)計(jì)FSR在1550nm處為25.6nm,通過計(jì)算可得所需的環(huán)形諧振腔長(zhǎng)度L約為20.2μm 。

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圖4 (a)結(jié)構(gòu)示意圖;(b)群折射率

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圖5 FDE求解器參數(shù)設(shè)置
除此之外,我們還知道MRR的耦合長(zhǎng)度可以由對(duì)稱和反對(duì)稱耦合模式的有效折射率之差確定,可由下式表示:


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因此,我們將FDE求解器放置在耦合區(qū)域處,如圖6(a)所示。通過計(jì)算可得對(duì)稱和反對(duì)稱耦合模式的光場(chǎng)圖如圖6(b)和圖6(c)所示,當(dāng)波導(dǎo)間隙為100nm時(shí),波長(zhǎng)在1550nm處的有效折射率差為0.109,于是計(jì)算可得耦合長(zhǎng)度應(yīng)該為1427nm。但是實(shí)際耦合過程中,彎曲波導(dǎo)部分也會(huì)發(fā)生部分耦合,因此,耦合長(zhǎng)度設(shè)置為0就能滿足耦合需求了,結(jié)合耦合長(zhǎng)度就能計(jì)算出MRR的半徑約為3.1μm。


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圖6 (a)結(jié)構(gòu)示意圖;(b)對(duì)稱模光場(chǎng)圖;(c)非對(duì)稱模光場(chǎng)圖


第三步:確定好相關(guān)參數(shù)后,就可以加入varFDTD求解器,其具體參數(shù)如圖7所示。
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圖7 varFDTD參數(shù)設(shè)置
光源、頻域監(jiān)視器和時(shí)間監(jiān)視器的具體參數(shù)如圖8(a-c)所示。
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圖8 (a)光源參數(shù);(b)頻域監(jiān)視器參數(shù);(c)時(shí)間監(jiān)視器參數(shù)
最終設(shè)置完成的示意圖如圖9所示。
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圖9 仿真示意圖
MRR是一種高Q值結(jié)構(gòu),它可以在環(huán)形諧振腔中捕獲多次往返的光。與非諧振器件相比,高Q值結(jié)構(gòu)需要更長(zhǎng)的仿真時(shí)間,因此我們將默認(rèn)的仿真時(shí)間(1000fs)增加到5000fs,因?yàn)槿绻抡鏁r(shí)間設(shè)置得不夠長(zhǎng),會(huì)導(dǎo)致仿真結(jié)束時(shí)并未達(dá)到收斂值,使得場(chǎng)衰減,頻域監(jiān)測(cè)結(jié)果等不準(zhǔn)確。此外,光源的波長(zhǎng)范圍為1.5-1.6μm,過大的光源范圍會(huì)使得仿真發(fā)散,因此修改光源范圍為1.53-1.57μm。運(yùn)行仿真后,可得其傳輸譜如圖10(a)所示,將監(jiān)視器的波長(zhǎng)設(shè)置為該MRR的諧振波長(zhǎng),可以得到其在器件中的電場(chǎng)強(qiáng)度如圖10(b)所示。
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圖10 (a)傳輸譜圖;(b)電場(chǎng)圖
注意


  1. MRR的耦合間隙往往會(huì)非常小,為了計(jì)算結(jié)果更精確,應(yīng)在相應(yīng)的耦合區(qū)域加入mesh,單獨(dú)設(shè)置該區(qū)域的網(wǎng)格精度。
  2. 在使用varFDTD進(jìn)行仿真時(shí),光源的波長(zhǎng)范圍不應(yīng)過大。原因在于模式求解器是計(jì)算光源范圍的中心頻率處的模式分布,所選模式分布將注入到光源的整個(gè)頻率范圍內(nèi),這可能導(dǎo)致注入和反向散射誤差。簡(jiǎn)單來說就是光源中模式求解器是使用頻域技術(shù)來進(jìn)行模式的計(jì)算,本質(zhì)上是單頻的,默認(rèn)設(shè)置是通過光源的中心頻率進(jìn)行計(jì)算。如果頻率范圍很大,其模場(chǎng)在不同頻率范圍內(nèi)會(huì)發(fā)生變化,這會(huì)導(dǎo)致在光源注入的平面范圍內(nèi)發(fā)生反射和散射,可以理解為在該頻率下實(shí)際存在的模場(chǎng)與正在注入的中心頻率的模場(chǎng)不匹配。為了避免varFDTD中的這些錯(cuò)誤,需要使用較小波長(zhǎng)范圍的光源。如果需要收集寬帶數(shù)據(jù),就需運(yùn)行多次仿真。
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