imported source 적용후 transmission에 관해 궁금사항이 있습니다.

normalization
transmission
source
import
poynting

#1

안녕하세요? FDTD Soultions를 이용하고 사용자입니다.

동일한 grating coupler를 2개를 위치시켜 transmission을 확인하고 있습니다.
먼저 grating coupler에서 mode를 계산하고 기본 TE모드를 적용하여 입력신호로 정하였고, 그 후에 상, 하, 좌, 우의 trasnmission을 확인하였습니다.

여기서 output_total은 output_right, output_left, output_up,output_down을 모두 더한값이며, 확인 해 본결과 '1’의 값을 얻었습니다.

하지만 mode source를 지우고 grating coupler 사이에 imporeted source를 적용하여 상, 하, 좌, 우의 trasnmission을 확인 해볼 결과

output_total이 '1’을 넘게 됩니다. imported source는 단일 grating coupler에서 나온 것을 추출한것입니다.

여기서 transmission이 '1’이 넘는 경우에 따른 확인했던 사항은

  1. time monitor를 이용하여 simulation time을 매우 길게 잡았습니다.
  2. pml layers를 36, pml profile을 steep angle로 설정하였습니다.
  3. trasnmission을 계산하기 위한 frequency-domain field and power monitor와 imported source는 겹치는 부분이 없습니다.
  4. 어떠한 구조물이 없는 상태에서 imported source만 적용하여 output_total을 계산해본결과 '1’의 값을 가지게 되었습니다.
  5. output_down, output_left는 transmission이 (-)의 값이 나오는데 그 이유는 transmission을 계산할 때 source에 상관없이 x축y축z축이 증가하는 방향으로 잡았기 때문이며, 그래서 output_down, output_left는 절대값을 취하여 계산하였습니다.
  6. imported source는 단일 파장에서 추출하였고, 단일파장에서 transmission을 계산하였습니다.

이렇게 확인해봐도 output_total은 '1’이 넘게 되었습니다.

혹시 제가 모르는 고려사항이 있는 것인지, 아니면 imported source를 적용할때의 고려사항이 있는지 모르겠습니다.

답변 부탁드립니다. 감사합니다.


#2

위의 문제는 imported source 의 normalization 과 관련이 있는 것으로 보입니다. Sources - Import 페이지에 다음과 같은 설명이 있습니다.

The automatic calculation of the amount of power injected by the source (ie. sourcepower script function) will not be correct. Therefore, power transmission data (‘T’ in the result view, and results from the ‘transmission’ script function) which is normalized to the sourcepower, will be incorrect. A work around is to manually calculate the sourcepower and power transmission data.

따라서, 빈 공간에 imported source 만을 놓고, 바로 앞에 source 의 span 보다 크게 freuqency monitor 를 두고서 직접 Poynting vector 를 적분하여 실제 source 의 power 를 계산하여 사용해야 합니다. 만약, sourcepower 스크립트로 얻어지는 값이 Ps 라하고, Poyinting vector 를 적분하여 얻어진 값을 Pp 라 하면, 각각의 monitor 의 transmission 값은 잘못된 값인 Ps 에 대해 normalized 되어있으므로, transmission 값에 (Ps/Pp) 를 곱해주면 전체 transmission 의 합이 ‘1’ 이 될 것입니다. Poyingting vector 를 적분하여 transmitted power 를 계산하는 방법은 아래의 링크를 참고하시기 바랍니다.

Integrating the Poynting vector

Working with the Poynting vector

Imported source 를 만드는 방법은 별도의 시뮬레이션에서 frequency monitor 에 기록되는 field 를 가져와서 사용하는 방법과 수식을 이용해 직접 source field 를 지정하는 두 가지 방법이 있는데, 위의 Poyinting vector 를 적분하여 source power 를 구하는 것은 이 두가지 방법에 모두 일반적으로 사용할 수 있습니다. 하지만, frequency monitor 를 이용하였을 경우에는 그 별도의 시뮬레이션에서 monitor 를 통과하는 power 를 계산할 수 있으며, 이 power 는 imported source 의 source power 가 됩니다.


#3

답변 감사합니다. 하지만 아직 해결하지 못한 사항이 있어서 문의드립니다.

답변주신 내용을 토대로 transmission 값을 구하기 위해 Poynting vector를 적분하여 계산된 power를 구하려고 합니다.

먼저
imported source를 구하기 위해 frequency monitor를 사용하는데, imported source를 추출할 때 frequency monitor의 poyting vector를 적분하여 power를 계산한 P_in

그리고 빈 공간에 imported source 만을 놓고, 바로 앞에 source 의 span 보다 크게 freuqency monitor 를 두고서 직접 Poynting vector 를 적분하여imported source의 power 를 계산한 P_out

마지막으로 빈 공간에 imported source 만을 놓고, sourcepower라는 명령어를 이용한여 power를 계산한 P_source

3 개의 계산된 P_in, P_out, P_source 값이 거의 동일합니다.

그래서 답변주신 Ps/Pp는 항상 '1’과 가깝기 때문에 Ps/Pp를 곱하나 곱하지 않나 결과값은 다르지 않습니다.

답변주신 내용을 제가 잘못 이해하고 있는 것인지 아님 제가 다른 부분에서 놓치고 있는지 여쭤보고 싶습니다.

감사합니다.


#4

제가 말씀드린 방법대로 하고, 모든 설정이 제대로 되어 있다고 가정한다면, imported source 의 source power 에 normalized 된 total transmission 은 ‘1’ 이 되어야 합니다. 혹시 다른 설정에 문제점은 없는 지, 시뮬레이션 파일을 직접 확인을 해보아야 원인을 찾을 수 있을 것 같습니다. 괜찮으시다면, 시뮬레이션 파일을 공유해 주시면 고맙겠습니다.

이 문제와 별개로, waveguide 의 mode source 를 사용하지 않고 import source 를 사용하는 이유는 무엇인가요? 그리고, import source 는 어떻게 만들어 주었는지 그 과정도 설명을 덧붙여주시면 문제를 파악하는데 도움이 될 수도 있을 것 같습니다.


#5

안녕하세요? 답변 감사드립니다.
double_grating_imported_source.lsf (2.5 KB)
double_grating_mode_source.lsf (2.1 KB)
out_coupling.lsf (2.4 KB)
double_grating_imported_source.fsp (455.6 KB)
out_coupling.fsp (436.9 KB)
double_grating_mode_source.fsp (479.0 KB)

제가 imported source를 적용하는 이유는 bottom grating coupler에서 어떤 작용을 하는지 분석하기 위해서였습니다.

시뮬레이션 파일을 올려드립니다.

두 개의 grating coupler를 통과한 T_22를 구하는 것이 목적입니다.

먼저 double_grating_mode_source.fsp와double_grating_mode_source.lsf는 mode source를 이용하여 T_22를 계산하였습니다.

그 다음 out_coupling.fsp와 out_coupling.lsf를 이용하여 grating coupler 하나만 있는 상태에서 grating coupler 위 방향으로 방사하는 빛을 계산(T_out_up)하고, 그에 따른 imported source를 만들어 냅니다.

그리고 double_grating_imported_source.fsp와 double_grating_imported_source.lsf에 imported source를 적용하여 T_22를 구하게 됩니다.

이렇게 하면 double_grating_imported_source.fsp에서 imported source를 적용하여 상, 하, 좌, 우의 transmission를 구하게 되면 '1’의 값이 넘기게 됩니다.

하지만, double_grating_mode_source.fsp로 구한 T_22(mode)와
double_grating_imported_source.fsp로 구한 T_22를 T_out_up를 곱하여 계산한 T_22(imported)의 값은 동일합니다.(약간의 차이가 있지만 그 이유는 mode source에서는 mode를 계산할 때 단일 파장에서만 mode를 계산하기 때문입니다.)

결론적으로 T_22(mode)와 T_22(imported)의 값이 동일하지만, double_grating_imported_source.fsp일 경웨서만 상, 하, 좌, 우의 transmission값이 '1’이 넘어서 제가 올바르게 시뮬레이션을 작동하는지 의심스럽습니다.

단변 주시면 정말 감사하겠습니다.\


#6

안녕하세요.
Import source 를 만들기위해 사용한 ‘T_out_up’ 에서의 field 의 모양을 보면 장파장대로 갈수록 우측으로 퍼져가는 정도가 심해짐을 알 수 있습니다. Plot type 을 ‘Line’ 으로 하여 살펴보면 monitor 의 우측끝 위치에서 field 가 완전히 감쇄되지 않고 잘려있음을 확인할 수 있습니다. 이 잘려진 field 분포를 그대로 import source 에서 사용하게 되면, Gaussian 이나 mode source 에서 source 의 span 이 beam size 보다 작을 때 source 끝자락에서 회절현상이 일어나는 것과 마찬가지로 비슷한 현상이 일어날 수 있으므로 제대로 된 설정이라고 할 수 없습니다. 이 문제점을 없애려면 monitor 의 span 을 더 널려주어 field 가 monitor 끝부분에서 완전히 사라지도록 한 후 import source 를 만들어 주면 됩니다. 또한, 현재의 시뮬레이션에서는 이 문제의 import source 가 PML 과 닿아있어서, 추가적으로 source 와 PML 의 간섭현상에 의해 문제점이 더해진 것으로 보입니다.

Import source 를 사용하였을 때의 total transmission 결과가, 예상되는 값 ‘1’ 과 큰 차이를 보이는 부분이이 주로 장파장대인 점을 고려하면 위에서 지적한 점들이 주된 요인이 아닐까 짐작해봅니다.

제안드린대로 시뮬레이션을 해보시고, 여전히 문제가 해결되지 않으면 알려주세요.