Вычислительная фотоника

«черного ящика» до моделей на базе физического измерения и детализации. Кроме того, в некоторых случаях вычислительные симуляторы волноводной системы совместно с определенным уровнем волноводного устройства позволяют моделировать программное обеспечение.

Часто, когда физические испытания и лабораторные эксперименты слишком дороги, численное моделирование играет ключевую роль при проектировании интегральных волноводных систем. Существующие инструменты моделирования обеспечивают широкий диапазон возможностей, включая различные типы форматов модуляции входного сигнала; реальные источники шума; дисперсионные изменения при взаимодействии волокон; нелинейные, дисперсионные эффекты, а также эффекты поляризации. Это облегчает детализированные исследования распространения сигнала в реальных системах передачи. Много важных характеристик волноводных изделий, типа вычислений основных диаграмм, частоты ошибок и оценок Q- фактора, являются доступными и могут быть непосредственно проанализированы в сравнении с экспериментальными данными.

В таблице 3.3 приведен обзор программ системного и имитационного анализа интегрально-оптических устройств.

Таблица 3.3

Программы системного и имитационного анализа интегрально-оптических

101

102

103

106

известных устройств, сокращении цикла проектирования новых устройств, оценке новых механизмов работы устройств и уменьшение времени внедрения нового изделия. Основные преимущества вычислительной фотоники включают: сокращение времени проектирования; увеличение возможности интеграции; уменьшение времени перепроектирования между прототипом и промышленным образцом; увеличение надежности изделия и срока службы; позволяет конструктору выбрать параметры устройства оптимальные для работы в системе.

3.2. Основные аспекты автоматизации вычислительной фотоники

Расчет числовых характеристик и моделирование компонентов волноводной фотоники были важными предметами исследования в последние два десятилетия. Потребность в этом становилась все более очевидной в последние годы, из-за возрастания научно-исследовательского интереса к интегральным схемам оптического диапазона. Перестраивать и настраивать эти схемы, один раз изготовленные, невозможно больше ни экономически, или во многих случаях, даже вообще. Следовательно, необходимы чрезвычайно точные методы определения характеристик модели структуры.

Из-за того, что большинство структур, используемых в сегодняшних интегральных оптических схемах невозможно рассчитать аналитически, численные методы для определения характеристик чрезвычайно необходимы. Проектировщики предпочитают использовать пакеты автоматизированного проектирования (CAD), которые в большинстве случаев состоят из аппроксимации эмпирической кривой или эмпирических формул. Однако проверка правильности этих формул должна быть поддержана точными определениями характеристики. Кроме того, любые численные методы расчета характеристик должны быть как можно эффективнее и экономически возможными, и достаточными по временным требованиям и требованиям памяти центрального процессора, хотя недавние прогнозы в компьютерной области накладывают менее серьезные ограничения на эффективность и экономику метода. Другой аспект важен в разработке численных методов – эксплуатационная гибкость разработки численных методов.

Фактически численные методы выбраны на основе компромиссов между точностью, быстродействием, требованием памяти, эксплуатационной гибкостью, и т.д., и часто зависят от анализируемой структуры.

108

Для анализа конкретной структуры нужно сделать выбор, какой метод лучше всего подходит для структуры. Следовательно, пользователь должен провести критическую оценку предполагаемого метода.

Вто время как теория и практика остаются двумя традиционными столпами науки и разработки, числовое моделирование и задачи симуляции представляют третий столп, который поддерживает, дополняет, а иногда и заменяет их.

Взадачах вычислительной фотоники широко используются различные подходы к решениям уравнений Максвелла посредством электромагнитных симуляторов или вычислителей поля. Полевые решения стали необходимы вследствие развития аналоговых и цифровых систем при повышении временных отношений частот и плотности расположения, увеличении полос пропускания и усложнении волноводных устройств в целом. Полевые решения требуют больших временных затрат и памяти в процессе вычисления, чем аналогичные расчеты модельных систем. Однако, они могут быть ответственными за все паразитные взаимодействия, эффекты формирования и распределенную природу поля в структуре. Моделирование поля может использоваться для проведения реалистичного эквивалентного моделирования электромагнитных структур, которые включают эти паразитные и распределенные эффекты, и, таким образом, приводят к точным результатам с минимальными вычислительными расходами. Последняя идея является главным направлением использования оптимизации.

Волноводная фотоника включает компоненты, оперирующие с величинами порядка длины волны. Свойства интегрально-оптических компонентов зависят от их геометрии или топологии, а также от свойств окружающего пространства

ирасположения в случае открытых структур. Задача инженера вычислительной фотоники заключается в установлении соотношения между геометрией или топологией волноводной структуры и её функциональным описанием, рис.3.3.

109

Рис.3.3. Взаимосвязь между топологией и функционалом волноводной

структуры

Топология волноводной структуры может быть очень сложной и иметь много степеней свободы (количество переменных), в то время как ее функциональное описание обычно менее сложное и может быть описано меньшим количеством независимых переменных или степеней свободы.

Если известна топология структуры (рис.3.4), можно получить ее функциональное описание путем выполнения анализа. Результат анализа уникален и должен быть тем же самым, независимо от используемого метода, и без учета ошибок. Синтез, являющийся обратным процессом, обычно не приводит к уникальным результатам потому, что функциональное описание содержит меньшее количество степеней свободы, чем топология. Другими словами, одно и то же функциональное описание может быть использовано для нескольких топологий.

Рис.3.4. Получение функционального описания поля волноводной

структуры путем выполнения анализа

Альтернативой является осуществление полного анализа. В процессе выполнения проекта обычно используется обратный анализ, т.е. синтез,

110