Lumerical官方案例、FDTD时域有限差分法仿真学习（十七）——Y分支功分器

官网链接：https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/360042800353-Y-branch

使用 FDTD 计算 Y 分支的插入损耗、传输和 S 参数。 S 参数用于创建 INTERCONNECT 紧凑模型。

一、概述
了解模拟工作流程和关键结果

y 分支以一系列 FDTD 模拟为特征。 每次仿真都会测量到输出端口的功率传输、插入损耗和 S 参数。 通常需要三个模拟； 一个用于设备的每个端口。 模拟的数量也随着测量中模式的数量而增加。 S 参数用于在 INTERCONNECT 中构建紧凑模型。

第 1 步：初始模拟
确保正确设置模拟并探索结果。

第 2 步：S 参数扫描
提取设备 S 参数，以在 INTERCONNECT 中创建紧凑模型。

第 3 步：紧凑型模型
导入 S 参数以在 INTERCONNECT 中创建紧凑模型

有关优化 Y 分支几何的信息，请参阅 Y 分支粒子群优化 (PSO) 示例。

二、运行和结果
运行模型的说明和关键结果的讨论

第 1 步：测量 Y 分支的性能
1.在 FDTD 中打开 y_branch.fsp 文件并单击运行按钮。
2.可以通过右键单击监视器并可视化感兴趣的量来手动探索结果。

场分布
频域场剖面监视器 (field_monitor) 显示设备中的稳态场剖面。 输入端口周围的场纹波是由于前向和后向传播场之间的干涉造成的。

第 2 步：S 参数矩阵扫描
1.运行文件中的 s 参数扫描，以获取每个感兴趣的端口和模式的设备的 S 参数。
2.通过右键单击扫描并可视化感兴趣的量，可以手动探索 S 参数扫描结果。
3.通过右键单击扫描并选择“Export to INTERCONNECT”选项将 S 参数导出到文件。
4.或者，如果相位和群延迟很关键，请使用 add_group_delay_FDTD_Spar.lsf 脚本文件在步骤 4 中生成的 S 参数文件中添加群延迟规范。
5.运行脚本 y_branch_plot.lsf 以生成功率传输和插入损耗图。

S参数

S 参数是复振幅反射和透射系数，用于表征器件的输入/输出行为。有关详细信息，请参阅附录。下图绘制了在 TE 和 TM 模式下从端口 1 到端口 2 和端口 3 的归一化功率传输（s 参数的abs^2）。该图表明 Y 分支分光比约为 50-50 (S21 = S31)，对波长不是很敏感。

插入损耗

Y 分支的分离插入损耗测量从输入端口（端口 1）到每个输出端口（端口 2 和端口 3）插入 Y 分支的信号功率损耗。 插入损耗通常以 dB 为单位。 对于 Y 分支的优化结点，我们看到在宽工作带宽下插入损耗非常小，如下图所示

第 3 步：INTERCONNECT 紧凑型模型
1.在 INTERCONNECT 中打开 y_branch.icp 文件。
2.将步骤 1 中生成的 S 参数文件导入到 Optical N Port S 参数元素（Y 分支）。
3.更改 ONA“正交标识符 orthogonal identifier”以激发 TE 或 TM 模式信号。
4.运行模拟并可以在分析器的结果视图窗口中手动探索结果，方法是
右键单击结果条目并选择“orthogonal identifier”或“orthogonal identifier.”
双击结果条目

功率传输

正如预期的那样，在 INTERCONNECT 中测量的功率传输与在 FDTD 中测量的 s 参数功率传输相同。

三、重要的模型设置
此模型中使用的重要对象和设置的描述

端口对象
端口充当模式源、场监视器和模式扩展监视器的组合。 确保端口对象跨度足够大以包含感兴趣的模式非常重要。 端口对象的紫色箭头表示将光注入模拟的活动端口。 源注入轴和方向可以在单个端口对象的“Modal Properties”选项卡中设置。 选择模场时，使用“fundamental TE”或“fundamental TM”选项来选择适当的模式。 可视化模式数据以确认找到正确的模式。

S参数矩阵扫描
默认情况下，S 参数矩阵扫描包括所有端口的所有选定模式。 对于对称结构，用户可以选择不激发所有端口并映射来自其他端口的一些结果。 这可以通过取消选中“Excite all ports”选项并选择“Active”端口然后从活动端口映射非活动端口或使用“Active”按钮进行自动映射来完成。

S 参数导出：模式 ID 和位置
使用“INTERCONNECT Export Setup”的“Custom define”选项来定义导出数据的模式 ID 和端口位置属性。

文件导出会自动为每个模式分配一个“Mode ID。 通常需要手动设置“模式 ID”，以便它们与 INTERCONNECT 使用的“orthogonal identifier”约定一致（见下一点）。 例如，INTERCONNECT 中的基本 TE 模式始终是“正交标识符 = 1”。

根据设备的几何形状设置“Port location”字段，以便 INTERCONNECT 中的端口终端显示在元件的正确一侧。

光网络分析仪 (ONA) 激发模式
INTERCONNECT 中的 ONA 一次只能激发一种偏振光，它可以测量所有偏振/模式组合作为结果。 激励模式的设置是“波导Waveguide”部分中的“正交标识符orthogonal identifier”属性。 “正交标识符”=1表示TE0模式，“正交标识符”=2表示TM0模式，以此类推。

四、使用您的参数更新模型
根据您的设备参数更新模型的说明

1.设置感兴趣的源波长范围。
2.更换或更新 Y 分支结构以匹配您的设备。 对象几何可以使用原始元素定义，也可以从文件中导入。
3.在端口对象中选择感兴趣的模式。
4.更新端口位置和大小。 端口应集中在每个波导上。 跨度应该足够大以覆盖感兴趣模式的整个范围。

五、让模型更进一步
为想要进一步定制模型的用户提供的信息和提示

优化Y分支
Y 支路的优化对于低损耗和波长不敏感的结结构至关重要。 请参阅 Y 分支 PSO 示例。

六、个人学习

6.1 建立结构

通过查阅参考论文，其输入输出波导都是0.5μm。

检验结构设置，确实为0.5μm。

经测量，其锥度部分也为2μm

它这里的整个y分支应该是从GDS版图文件导入的。


6.2 结果分析

场监视器结果

S参数扫描

先运行。因为有6项，所以总共运行6次。

运行完，有这些结果

看一看S matirx

它是选了某一波长下，然后根据6种状态分别入射出射，算得的功率传输。这里在所有波长下，有较大值的就是S31, S51, S42, S62, 以及对称的S13等（与传输方向有关）。

S31应该指的是从端口1到端口2，TE模式的传输。
S51应该指的是从端口1到端口3，TE模式的传输。
S42应该指的是从端口1到端口2，TM模式的传输。
S62应该指的是从端口1到端口3，TM模式的传输。

然后我们删除其他S parameters的结果，只看这四个，如下图所示。

S31=S51, S42=S62, 由此可见，该功分器是1：1分配的。

画图代码

S = getsweepresult("s-parameter sweep", "S parameters");
S21_TE = pinch(abs(S.S31)^2); # 其实就是改个名字
S31_TE = pinch(abs(S.S51)^2);
S21_TM = pinch(abs(S.S42)^2);
S31_TM = pinch(abs(S.S62)^2);
lambda = S.lambda;

Pin = ones(100, 1);
IL1_TE = 10*log10(Pin/S21_TE);  # 这里是计算插入损耗
IL2_TE = 10*log10(Pin/S31_TE); 
IL1_TM = 10*log10(Pin/S21_TM); 
IL2_TM = 10*log10(Pin/S31_TM); 

plot(lambda*1e6, IL1_TE, "lambda (um)", "Insertion loss (dB)", "","linewidth = 5, pen = --");
holdon;
plot(lambda*1e6, IL2_TE, "lambda (um)", "Insertion loss (dB)", "","linewidth = 5, pen = -.");
plot(lambda*1e6, IL1_TM, "lambda (um)", "Insertion loss (dB)", "","linewidth = 5, pen = --, color = pink");
plot(lambda*1e6, IL2_TM, "lambda (um)", "Insertion loss (dB)", "","linewidth = 5, pen = -., color = black");
holdoff;
legend("IL port2 TE", "IL port3 TE", "IL port2 TM", "IL port3 TM");

plot(lambda*1e6, S21_TE, "lambda (um)", "Normalized power transmission", "","linewidth = 5, pen = --");
holdon;
plot(lambda*1e6, S31_TE, "lambda (um)", "Normalized power transmission", "","linewidth = 5, pen = -.");
plot(lambda*1e6, S21_TM, "lambda (um)", "Normalized power transmission", "","linewidth = 5, pen = --, color = pink");
plot(lambda*1e6, S31_TM, "lambda (um)", "Normalized power transmission", "","linewidth = 5, pen = -., color = black");
holdoff;
legend("S21 TE (abs^2)", "S31 TE (abs^2)", "S21 TM (abs^2)", "S31 TM (abs^2)");

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计算插入损耗（浙江大学《微纳光子集成》）

程序里面为啥用1除以传输率？

这样前面就不用加-10而是10了

画图结果：

跟正文一样。

6.3 导出到INTERCONNECT

这里显示元件y-branch来自.data的S参数数据文件

不太会用INTERCONNECT，以下是短暂地摸索取得的结果：

这里设置正交标识符 orthogonal identifier为2，表示TM入射，然后运行。

在左侧结果里面找到：input2的mode2的transmission结果，画图绘制，选abs^2.
还有input3的mode2的transmission结果，添加到上一张图中。.

这就是TM下的功率传输结果

然后同理，吧正交标识符换成1，TE入射。添加input2和input3的mode1进入结果图，如下图所示。符合正文中的结果。

这里，需要注意的是：在INTERCONNECT里面运行的文件，路径不能有中文！

能运行成功的示意图：

不能运行的示意图：

6.4 接下来的学习内容

1.S参数扫描
2.PSO优化Y branch
3.INTERCONNECTA的使用

相关出版物
Zhang, Yi, et al. “A compact and low loss Y-junction for submicron silicon waveguide.” Optics express 21.1 (2013): 1310-1316.