Вычислительная фотоника
.pdf
ГЛАВА 3. ЗАДАЧИ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ФОТОНИКИ
3.1.Основы вычислительной фотоники
Воснове разработки современных интегрально-оптических волноводных устройств лежит вычислительная фотоника. Вычислительная фотоника связана с исследованием новых механизмов работы интегрально-оптических устройств, разработкой новых и отработкой существующих технологий, интеграцией компонентов. Развитие вычислительной фотоники связано с увеличением пропускной способности систем коммуникации и систем сбора и передачи информации, а также повышением требований к компонентам в интегрально-оптических волноводных системах. Вычислительная фотоника основана на использовании программ и модулей различной сложности с целью оптимизации соотношения между эффективностью расчета и сложностью модели при оптимизации параметров устройств.
Задачи вычислительной фотоники можно разделить на три главных категории, как показано на рис.3.1.
Рис.3.1. Основные задачи вычислительной фотоники
Модальный анализ (модовый решатель) включает следующие задачи:
оценка количества мод, постоянной распространения или эффективного показатель преломления моды; оценка распределения электрического или магнитного поля отдельных мод (профиля моды); расчет ближнего и дальнего поля; оценка коэффициента ограничения (confinement factor), потерь на неоднородностях и изгибах волновода.
81
Для ограниченного числа идеальных, простых конфигураций волновода, моды и соответствующие постоянные распространения могут быть найдены аналитически. Однако для большинства реальных волноводов используется численное моделирование. Даже волноводы с относительно простым поперечным сечением и профилем показателя преломления могут исказать передаваемый сигнал вследствие анизотропии, неоднородности, связанной с изготовлением и материальными потерями, которые влияют на их модальные свойства. В зависимости от профиля показателя преломления и других характеристик волновода, могут возбуждаться различные типы мод, включая
вытекающие (antiguiding), с потерями, или излучающие моды (radiating
modes).
В таблице 3.1 приведен краткий обзор программ модального анализа интегрально-оптических элементов и устройств.
Таблица 3.1
Программы модального анализа интегрально- оптических устройств
Название программы: Ядро программы:
Область применения:
COMSOL Multiphysics
Метод конечных элементов Оптические волокна. Волноводы; фотонные
кристаллы. Оптические компоненты.
82
Название программы: Ядро программы:
Область применения:
Название программы: Ядро программы:
Область применения:
Название программы: Ядро программы:
Область применения:
EMFlex
Метод конечных элементов Интегральная оптика. Волноводы изотропных и анизотропных диэлектриков. Периодические
разветвители. Резонаторы.
FemSIM
Метод конечных элементов Волноводы произвольного профиля, с высоким контрастом показателя преломления и учетом
потерь. Устройства на основе кремния. Поляризационные вращатели.
FIMMWAVE-FEM-Solver
Метод конечных элементов Микроструктурированное и эллиптическое волокно. Диффузные волноводы. Волноводные структуры с гладким изменением показателя преломления, произвольной формы и изгиба.
83
Название программы: Ядро программы:
Область применения:
Название программы: Ядро программы:
Область применения:
JCMwave
Метод конечных элементов Интегральная оптика. Микролинзы. Микрозеркала. Оптическое волокно. Фотонные кристаллы. Интегрально-оптические волноводы.
EMSolve
Метод конечных элементов Оптическое волокно. Микроструктурированное
волокно.
84
Название программы: |
FlexPDE и FreeFem++ |
Ядро программы: |
Метод конечных элементов |
Область применения: |
Волноводные структуры произвольной формы. |
Название программы: |
pdnMesh |
Ядро программы: |
Метод конечных элементов |
Область применения: |
Неоднородные волноводы. |
85
Название программы: |
CUDOS MOF Utilities |
Ядро программы: |
Метод мультиполя или метод источника |
Область применения: |
Микроструктурированное волокно |
Название программы: Source-Model Technique Package
Ядро программы: Метод мультиполя или метод источника Фотонные кристаллы. Диэлектрические
Область применения: волноводы с высоким контрастом показателей преломления
86
Название программы: |
BandSOLVE |
|
Ядро программы: |
Метод разложения по плоским волнам |
|
Область применения: |
Фотонные ленточные структуры. Металлические |
|
и анизотропные волноводы |
||
|
Название программы: |
Band Structure Analyzer |
|
|
Ядро программы: |
Метод разложения по плоским волнам |
||
Область применения: |
Фотонные кристаллы с периодичностью в двух и |
||
трех направлениях |
|
||
|
|||
|
87 |
||
Название программы: |
MIT Photonic-Bands |
|
Ядро программы: |
Метод разложения по плоским волнам |
|
|
Фотонные кристаллы. Световоды и резонаторы. |
|
Область применения: |
Волноводы с произвольным поперечным |
|
сечением из анизотропных или магнитных |
||
|
||
|
материалов |
Название программы: |
Waveguide Mode Solver |
Ядро программы: |
Метод разложения по плоским волнам |
Область применения: |
Простейшие диэлектрические волноводы |
88
Название программы: |
GratingMOD |
|
Ядро программы: |
Метод матрицы передачи |
|
|
Волоконные Брэгговские решетки. |
|
|
Мультиплексоры/демультиплексоры. Фильтры |
|
Область применения: |
суммирования/вычитания. Оптические |
|
усилители. Волноводные решетки. |
||
|
||
|
Многосекционные сетки решеток. Решетки со |
|
|
сдвигом фазы |
Название программы: |
TMM Mode Solver and Anisotropic TMM Mode |
||
Solver |
|||
|
|||
Ядро программы: |
Метод матрицы передачи |
||
Область применения: |
Планарные оптические волноводы с |
|
|
|
89 |
||
анизотропией
Название программы: |
OptiGrating |
|
Ядро программы: |
Метод матрицы передачи |
|
|
Мультиплексоры/демультиплексоры. |
|
Область применения: |
Волоконные Брэгговские рефлекторы. |
|
Оптические усилители. Компенсаторы |
||
|
||
|
дисперсии. Волоконные и волноводные датчики |
Название программы: |
CAMFR |
|
Ядро программы: |
Метод разложения по собственным модам |
|
Область применения: |
Светоизлучающие диоды. Лазеры торцевого |
|
типа. Микроструктуированное волокно |
||
|
90