リング共振器チュートリアル


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リング共振器チュートリアル

問題定義

ここでは、INTERCONNECTが、リング共振器の設計とシミュレーションでどのように使用されるかを示します。
リング共振器は、FDTD SolutionsとMODE Solutionsを使って、素子レベルでシミュレーションもできます。

導入

INTERCONNECTを使用したリング共振器のシミュレーションでは、共振器を分割することから始められます。

そして、Element LibraryからStraight Waveguide、または、Waveguide Coupler要素を使用して各部分をシミュレーションします。

議論と結果

議論
単一のリング共振器は、FDTD SolutionsかMODE Solutionsのような、物理的シミュレーションツールを使用して、デバイス/要素レベルでシミュレーションすることもできます。また、INTERCONNECTを使用して、システム/回路レベルでシミュレーションすることもできます。

もし、デバイス要素レベルでパラメータ変化のみに興味がある場合は、(例えば、目標のQ 因子を達成するため、カプラーの長さやギャップを変更するなど)FDTD Solutions、または、 MODE Solutionsで解析するのが最も良い方法です。
デバイスエレメントルレベルでの、リング共振器のシミュレーションに興味がある場合は、下記のGetting Started Examplesをご覧下さい。
Ring Resonator Tutorial (FDTD Solutions)
Ring Resonator Tutorial (MODE Solutions)

INTERCONNECTを使用した、システム/回路レベルのリング共振器のシミュレーションを行う場合は、リング共振器のような、多くの要素から構想されている回路は、デバイスエレメントレベルのシミュレーションでは非常に困難です。更に、デバイスエレメントレベルの設計は、システムサーキットレベルに対する良い設計にはならないかもしれません。従って、目標仕様に対する回路の全体性能のテストが重要になります。実際のシステムの完全な設計と特性を得るために、デバイス/エレメントレベルシミュレーションと、システム/回路シミュレーション間の相互実行が必要です。

INTERCONNECTでは、下記のような、4チャンネルフィルタのシミュレーションは簡単に行えます。

実際のシステムをシミュレーションするために、FDTD Solutionsを使用して単一リング共振器を、コンポーネントレベルでより現実的にシミュレーションします。
その結果を、周波数依存のSパラメータで抽出すると、INTERCONNECTに移行することができます。

結果
下記のプロットは、リング共振器のdrop/throughチャンネルの、TE mode透過を示します。(アナライザーの入力1/入力2)

Optical Network Generatorの結果のtransmissionは、複素振幅係数です。
透過量をプロットするために 光源に対する%として、"Scalar operation"列で、"Abs^2"を選択して下さい。

設定手順

この例題は、3つのセクションから構成されます。始めから、モデル設定をすることもできます。 モデル設定を行わない場合は、この例題の最初の関連ファイルを使用して、次のセクションから始めることができます。

モデル設定
• INTERCONNECTを立ち上げて下さい。
• Elements Libraryから、レイアウトエディタビューボートにエレメントをドラッグすることにより,直線導波路を加えて下さい。
Propertiesウィンドウで、この導波路要素を定義するための特性を見ることができます。この要素の名前を"Straight Waveguide1"と変更し、対応する"Value"のところをダブルクリックすることにより、0.03mの長さに設定して下さい。ここでは、2つの直行するidentifierが、導波路の2つの直行モード(“TE”, "TM"のラベルのある)を追跡するために使われます。この例では、"TE"モードに焦点を当てます
• Elements Libraryから,"Waveguide Coupler1"と名付ける導波路カプラ要素を追加して下さい。入力パラメータ特性により、ユーザーは、このカプラに、"coupling coefficient"か、"cross over length"のどちらかを指定することができます。"TE"の直行表示に対するカップリング係数を、0.2に変更して下さい。
• 直線導波路と導波路カプラのコピーを、COPYボタン を使用して、一つずつ作成して下さい。
コピーした導波路カプラの、"TE"直行identifierに対するカップリング係数を、0.5に設定して下さい。
• 下の図に従って、接続して下さい。直線導波路を回転するために、Rotateボタン を使って下さい。
Propertiesウィンドウ内の注釈を、使用することも使用しないこともできます。

・ リング共振器回路が生成されたので、この回路の周波数応答の研究に進めます。そうするために、Element LibraryからOptical Network Analyzer を追加して下さい。Optical Network Analyzerは、周波数/波長の関数としてシステムの応答を決定するための、Scattering Data Analysisとして使用します。
デフォルトで、このアナライザーは、1つの光学出力、1つの光学入力を持ちます。それらは、回路の入出力ポートである周波数応答を測定する場所に接続されます。
回路の異なる場所の周波数応答を測定するために、アナライザーの入力ポート数を増やすことができます。この例においては、"drop"チャンネルと、"through"チャンネルの両方を測定します。

• 次の表に従って、光学ネットワークアナライザーの特性値を設定して下さい。

• ここでは、デフォルトの中心周波数/周波数領域設定を使用していますが、使用者は、測定したい周波数領域に従った設定に変更することができます。
• アナライザーを、下のようにリング共振器に接続して下さい。ここでは、アナライザーのinput 1/input 2ポートが、リング共振器のdrop/throughチャンネルに接続されます。

シミュレーション実行と結果表示
• ツールバーで、Runボタン をクリックして、シミュレーションを実行して下さい。シミュレーションの実行中は、プログレスバーがアナライザーの上部に現れます。

• シミュレーションが終了したら、Optical Network AnalyzerのResults Windowに、シミュレーション結果が保存されています。Visualizerウィンドウ内で、各結果を右クリックすることにより、その結果を確認できます。例えば、dropチャンネルを通る透過量を確認するために、"input 1"の"TE transmission"を右クリックし、"Visualize"を選択して下さい。単純なスカラー操作は、Visualizer内の、"Scalar operations"列内のオプションを選択することができます。

ダブルバスリング共振器
• 導波路とカプラを使用して構成する代わりに、 INTERCONNECTで与えられるダブルリング共振器要素を使い、同様の解析を行うことができます。
• Waveguides/Resonatorsのところから、“Double Bus Ring Resonator” 要素を追加して下さい。次の表に従って、特性値を設定して下さい。


• 最初の設定の、Optical Network Analyzerをコピーし、下の図のようにDouble Bus Ring Resonatorに接続して下さい。

• 2番目の作業を繰り返し、始めに設定した回路の測定結果と同じになることを確認して下さい。

• パート1とパート3のモデルは、同一のリング共振器なので、その結果は両者で一致しなければなりません。