老师,我想麻烦您鉴别一个结构是否适用于varFDTD算法,或是能否为我推荐一个可以使用的算法。

varfdtd

#1

老师,您好。
我想仿真的结构是一块20x20μm的SiO2材料的中心嵌套了一个折射率为2.0的SiN直波导,我从该波导一端输入腰斑直径为10.4微米的高斯光束,要求优化其中SiN直波导y方向上的宽和z方向上的高,是的这个波导中激发出的TE基模的效率最高。
结构示意图如下

我采用的是varFDTD的仿真器,如图中所示,高斯光束的光源在离仿真结构左边3μm处,仿真波长为1.55μm,并且该光源设置为束腰位置正好处于仿真结构的左端(即腰斑处于结构的左端),仿真结构内部放置了Mode expansion monitor 和 Frequency-domain field and power monitor,设置模式展开监视器中选择的模式为基模,打算查看监视器中的T_forward来得到基模对输入高斯光的耦合效率。
关于边界条件,为了保证x方向上的PML边界对光波有良好的吸收,我将x方向的两个PML边界都设置为最高层数,为了检验PML吸收的良好,我将auto shutoff min降低到1e-7 量级,仿真时间设置为20000fs,同时设立了一个时间监视器和视频监视器,然后我任意设定了SiN的宽和高进行了一次仿真,仿真是在auto shutoff min控制下结束的,同时查看时间监视器和视频监视器,均未发现PML产生了强烈的反射。

为了优化这个耦合效率,我使用的nested sweep同时扫描y span 和z span,得到了许多TE模耦合效率的数据。
我发现的问题是,我认为这些数据的值偏大了,比如对于氮化硅的y span=40nm ,z span=260nm 的情况下,TE模的耦合效率达到 96%(如下图)。但是我有一位师兄使用另外一款软件进行该类扫描,他告诉我这里效率最高也就是达到百分之八十左右。
仿真文件为: https://transfer.pcloud.com/download.html?code=5Z5b1aZieCrOTyTDj4ZVFzzZKgnncImVAhRGMiGur8XGSRaTOTDX 。其中也包含了我关于sweep的设置。

因此,我有以下疑问。

1、varFDTD是否适合我要仿真的结构?在论坛里说,varFDTD适用于z方向上不发生模式耦合以及不存在偏振耦合的结构,但是对于我的结构,高斯光束从空气中进入这一波导,由于SiN的存在,是否高斯光束在Z方向上有可能被SiN限制住,从而产生了z方向上模式的耦合,因此就不适用于我要仿真的结构?请老师也可以详细讲一讲什么是z方向上发生模式耦合,以及我们在使用软件的时候,如何通过软件的功能来判断结构是否适合会发生z方向上模式的耦合,感觉之前的帖子中提到的spot size converter并不够典型,而且也没有提供给我们判断的方式。

2、在这个结构中能否使用mode expansion monitor中T_forward来查看TE基模对高斯光源的耦合效率?如果不能通过这种方式看的话,老师能否告诉我应该通过什么方式来计算这一耦合效率?

3、如果varFDTD不能用来仿真这一结构,那老师可以告诉我可以选择哪种Solver吗?EME是否可行,应该如果设置呢?我已经尝试过EME了,可以通过上面给出的文件中激活EME来实现,我将EME区域设置为从结构的左端出发,一共有三个cell。左端port导入高斯光束文件,右端设置为fundamental TE mode,运行后查看S12参数的平方,结果为
,与varFDTD所得到的结果也不同。产生高斯光束腰斑处mat文件的脚本文件为 guassian.lsf (494 Bytes)


#2

謝謝你的詳細解釋!

這個彷真我不建議用varFDTD, 原因是因為在varFDTD的高斯光束是2D的, 我估計你想定義的高斯光束是3D的, 所以彷真出來的結果會不一樣。

  1. 關於vertical coupling, 我們已經在一些post有討論過, 我估計你現在應該了解比較多, 知道怎麼判斷了。這個彷真應該也有vertical coupling, 因為在z的方向模式是有改變的。也可以從結構的角度考慮, 結構在方向有變數, 亦即結構從沒有變成有。

2-3. 是的, EME應該是可以做的, 但由於在材料介面上有可以會出現比較大的index/mode mismatch, 你可以需要用多一點的number of modes來做EME的彷真。同時, 你也可以做一個3D的FDTD彷真做參考。


#3

那这个结构能够用FDE里面的overlap来计算吗?因为我看见FDE引擎里正好可以创建高斯光束并且计算与指定模式的overlap和power coupling。我在阅读知识手册里关于power coupling的介绍的时候,里面说


这句话的意思是说利用FDE算出来了power coupling不够准确,必须利用EME引擎并增大计算的模式个数才能得到准确的结果?那这样的话,FDE里power coupling的计算在什么情况下才是真正准确的呢?如果无论怎样都不够准确那它存在有什么意义?


#4

不是不准确,而是因为有端面的话可能激发高阶模式,因此用EME可以了解所有模式的耦合情况。如果仅计算两个模式的耦合(你的情况,一个是高斯光束,一个是你指定的波导模式),可以直接使用。