MODE solutions의 EME를 이용한 MMI 구조의 S-parameter 계산

안녕하세요. 울산과학기술원 전기전자컴퓨터공학부 권민석교수님 연구실 소속 대학원생입니다.

저희 연구실에서 한 논문을 예제로 삼아 MODE solutions 의 EME solver 를 이용하여, 현재 다음과 같은 MMI 구조에 대한 S21 파라미터를 계산하는 작업을 수행하려고 합니다.

(참조 논문 : D. J. Thomson, Y. Hu, G. T. Reed and J. Fedeli, “Low Loss MMI Couplers for High Performance MZI Modulators,” in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 22, no. 20, pp. 1485-1487, Oct.15, 2010.)

20200325 - MMI image in simulation file
그래서 논문의 MMI 구조를 적용하기에 앞서 루머리칼 사에서 제공하는 MMI 예제 파일을 가지고 시뮬레이션을 따라서 해본 다음에, 논문에 나온 구조를 구현해서 시뮬레이션을 진행하였습니다.

20200325 - Mode convergence sweep result in simulation file
1by2_MMI_400,220.lms (4.1 MB)
위 그림은 Mode convergence sweep 을 수행해서 S21 파라미터(abs^2) 를 추출한 결과인데, 수렴되는 모드 개수에 대한 결과 값이 원래 예상했던 0.4~0.5 사이의 Transmission 값이 나오지 않고, 너무 터무니 없는 수치가 나오는 것이 확인됩니다.

그래서 제공된 MMI 예제 파일의 모델과 비교해보고 수정하면서 시뮬레이션을 반복해 보았으나, 이에 대한 원인을 못 찾은 상태입니다.

제가 만든 시뮬레이션 파일에서 어떠한 점을 수정해야 되는지 궁금합니다.

감사합니다.

현재 시뮬레이션 설정의 문제점의 근본적인 원인은, 아래 index profile 에서 볼 수 있듯 substrate 를 시뮬레이션 영역에 포함시켰다는 점입니다.

image

첫번째 cell 의 mode fields 를 보면, 이 영역에 사용하는 basis 가 되는 20 개의 mode profile 이 보이는데, 모든 mode 가 substrate 에 confine 되어 있는 것을 볼 수 있습니다.

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이들 20 개의 mode 는 윗부분 waveguide mode 와는 overlap 이 거의 '0' 에 가까울 것이며, 따라서 최종적인 output mode 로의 coupling 을 주어진 20개의 mode 로는 제대로 해줄 수가 없습니다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서는 substrate 를 시뮬레이션 영역에서 제거해주는 것이 바람직합니다. Waveguide 의 mode 가 잘 confined 된 mode 이기에 substrate 를 제거하여 시뮬레이션을 하더라고 device 의 특성을 잘 반영하여 시뮬레이션 한 것이라고 볼 수 있습니다. 만약, substrate 로 leakage 가 있는 경우라면 각 group 에 사용하는 mode 의 수를 훨씬 늘려주어야 합니다.

이와 관련한 정보는 Edge coupler 예제의 Run and results 섹션의 steps 2, 3 를 참고하시기를 바랍니다.