本文基于現(xiàn)有的硅波導(dǎo)建模示例，該波導(dǎo)通過反向偏置的pn結(jié)進行相位調(diào)制，并由鋁共面?zhèn)鬏斁€驅(qū)動。我們的目標是找到具有最佳性能指標的設(shè)計，特別是相位偏移、損耗和速度失配作為選定輸入、施加的摻雜和電極幾何形狀的函數(shù)。為此，我們將各個組件級別的仿真（包括電荷、光學和射頻建模）整合到optiSLang中。在optiSLang中，我們創(chuàng)建了設(shè)計的元模型，并對大量輸入進行優(yōu)化，以找到最佳設(shè)計。還可以將INTERCONNECT添加到optiSLang中，以進一步評估所選設(shè)計的誤碼率（BER）

第 1 步

此步提供了運行各個獨立仿真的快速說明。這包括CHARGE、MODE、HFSS和INTERCONNECT項目文件。有關(guān)Lumerical中器件組件級和電路級分析的詳細說明，請參考原始的TravelingWaveModulator示例。

相關(guān)鏈接：https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/360042328774-Traveling-Wave-Mach-Zehnder-Modulator

第 2 步

optiSLang優(yōu)化文件由三個主要模塊組成。首先是Parametric求解器系統(tǒng)，它將各個仿真相互關(guān)聯(lián)，這是創(chuàng)建元模型所必需的。這是將工程文件和相應(yīng)的腳本文件加載到每個模塊中的位置，并識別輸入和響應(yīng)。

之后，將敏感度向?qū)?yīng)用于系統(tǒng)以創(chuàng)建元模型模塊（此處稱為AMOP）。運行此模塊將運行其設(shè)置中指定的組件級仿真，并獲取相應(yīng)輸入的結(jié)果。

第 3 步

最后，使用優(yōu)化向?qū)砀鶕?jù)選定的輸入找到最佳結(jié)果。這依賴于已創(chuàng)建的元模型，因此能夠快速在廣泛的輸入范圍內(nèi)找到最佳設(shè)計。此處對應(yīng)的模塊命名為Evolutionary Algorithm。

下文附錄中提供了有關(guān)在optiSLang中使用項目文件和處理提示的其他提示

第 1 步：組件級模擬

CHARGE、MODE、HFSS和INTERCONNECT

1.打開并運行文件tw_modulator_DEVICE_par.ldev。仿真計算并導(dǎo)出波導(dǎo)上的電荷分布作為偏置電壓的函數(shù)。模型對象設(shè)置為包含和應(yīng)用輸入CHARGE參數(shù)。這是optiSLang讀取輸入并在后續(xù)步驟中應(yīng)用它們所必需的。

2.打開并運行文件tw_modulator_optical_MODE.lms。模型對象針對loss、group index和effective等結(jié)果進行設(shè)置，以便optiSLang訪問。

第 2 步：optiSLang-創(chuàng)建元模型

1.打開文件TWMZM_optimization.opf。如果收到有關(guān)查找文件的提示，您可以選擇自動重新定位的選項（更多信息請參閱附錄）。這是一個優(yōu)化文件，它使用來自組件級仿真（CHARGE、MODE和HFSS）的輸入?yún)?shù)來創(chuàng)建初始樣本集（元模型），然后對結(jié)果進行廣泛優(yōu)化和可視化。

2.在optiSLang中加載腳本tw_modulator_DEVICE_cac.lsf。為此，請雙擊AMOP模塊中的CHARGE。如果收到有關(guān)引用值的提示，請選擇第一個選項（更多信息見附錄）。在設(shè)置選項卡中，單擊Change settings并在Custom script部分中選擇腳本文件。該腳本已經(jīng)設(shè)置為在optiSLang使用時計算板電阻和結(jié)電容（不需要運行該文件）。該腳本遵循特定模板，以便使用optiSLang，如使用參數(shù)更新模型部分所述。

3.在optiSLang中加載腳本tw_modulator_optical_MODE_par.lsf，該腳本設(shè)置為計算波導(dǎo)的光學特性與電壓的函數(shù)關(guān)系。對于與步驟2類似的操作，請在AMOP模塊的FDE設(shè)置中選擇腳本。

4.雙擊AMOP模塊本身。這是創(chuàng)建的元模型采樣器，用于指定優(yōu)化參數(shù)、標準和樣本數(shù)等設(shè)置。

5.返回Scenery，右鍵單擊AMOP并選擇Show post processing（顯示后期處理）。該文件已經(jīng)包含此元模型的結(jié)果，并且可視化顯示了針對指定輸入的損失、n和p摻雜等結(jié)果。這是下一步的基礎(chǔ)，允許對廣泛的輸入進行快速評估。

元模型優(yōu)化側(cè)重于三個品質(zhì)因數(shù)：速度失配最小化、損耗最小化和增加電壓相移（最小化Vpi/Lpi）。這些在Criteria選項卡：

優(yōu)化是對波導(dǎo)n和p摻入物質(zhì)的摻雜值及其位置（CHARGE）以及電極間隙和寬度（HFSS）進行的：

在模塊的Parameter選項卡中選中這些輸入項。

在后處理結(jié)果（步驟2.3）中，模型質(zhì)量在CoP矩陣中報告。每個輸入的總有效性以紅色報告。單擊這些值也會更新3D表面圖，表示輸出對指定輸入的依賴性。下面以n和p摻雜值的函數(shù)形式Vpi_Lpi為例：

第 3 步：optiSLang-優(yōu)化和最佳設(shè)計

1.雙擊Evolutionary Algorithm模塊。為此模塊設(shè)置了包括優(yōu)化方法、最大樣本數(shù)和標準在內(nèi)的設(shè)置。

2.返回Scenery，右鍵單擊該模塊并選擇Show post processing。所有單個設(shè)計的概覽都顯示在Pareto圖（2D或3D）中。可以在此處選擇具有input值的最佳設(shè)計。

在這里，我們的目標是實現(xiàn)相移、損耗和速度失配的最佳輸出。在后處理頁面中，您可以從Visuals部分拖動3DCloud圖，以獲得這三個品質(zhì)因數(shù)的所有設(shè)計的概覽。最好的設(shè)計是位于繪圖邊緣的所有點，也稱為帕累托邊界。為了能夠更好地可視化這些設(shè)計，請點擊Select best designs（s），點擊Invert selection，然后在繪圖中右鍵單擊并選擇deactivate：

如前所述，有幾種設(shè)計被報告為最好的，因為品質(zhì)因數(shù)之間不可避免地會有妥協(xié)。根據(jù)模型要求或優(yōu)化優(yōu)先級，最終選擇可能會有所不同。您可以單擊任何點，這將更新相應(yīng)輸入值和結(jié)果的繪圖：

例如，在這里，我們可以看到摻雜濃度、偏移量和電極特性的精確值，以獲得所選最佳設(shè)計的結(jié)果。

可以通過在參數(shù)求解器系統(tǒng)中包含INTERCONNECT來進一步分析，以獲得BER。與初始設(shè)計相比，此步驟中的值可用于更新模型并監(jiān)控BER的降低。有關(guān)此內(nèi)容的詳細說明，請參閱“進一步演示模型”部分。

運行項目：目前在optiSLang中，給定設(shè)置的元模型和優(yōu)化結(jié)果存儲在項目文件中。要應(yīng)用您所做的任何更改并獲得新的優(yōu)化結(jié)果，請單擊位于頂部的run按鈕。

使用新的輸入?yún)?shù)：CHARGE和FDE中的輸入在模型對象中定義，以便optiSLang訪問。要在優(yōu)化中使用新輸入，請確保在model對象中定義它們。然后，您需要將它們作為Parameters添加到其AMOP模塊中（將輸入從Inputs列拖到左側(cè)的Parameter列）。

針對其他結(jié)果進行優(yōu)化：為此，請確?？梢詮腃HARGE（在腳本tw_modulator_DEVICE_cac.lsf中定義）和FDE（在模型對象和腳本tw_modulator_optical_MODE_par.lsf中定義）訪問品質(zhì)因數(shù)，并將結(jié)果用作optiSLang中的響應(yīng)（通過將它們從Outputs部分拖動到Responses）。然后，使用感興趣的品質(zhì)因數(shù)更新步驟2和3中的優(yōu)化標準（AMOP和進化算法設(shè)置）。

更新腳本文件：在這里，腳本文件用于后處理（例如計算電容和電阻）和公開結(jié)果（例如Vpi_Lpi）。更新文件時，請務(wù)必遵循現(xiàn)有模板。這些文件由三個功能組成;前兩個定義optiSLang的結(jié)果和輸入。第三個函數(shù)可用于后處理，通過將計算結(jié)果分配給第一個函數(shù)中定義的輸出來返回計算結(jié)果。

參數(shù)求解器系統(tǒng)中包含的INTERCONNECT提供了一個單獨的optiSLang項目文件，可以計算調(diào)制器的BER。從CHARGE、MODE和HFSS中收集與波導(dǎo)、光調(diào)制器和行波電極相關(guān)的參數(shù)，以創(chuàng)建緊湊的模型?？梢允褂貌襟E3中找到的值更新輸入，以監(jiān)控此品質(zhì)因數(shù)的改進。

1.打開tw_modulator_INTC_eye.icp并確保文件已運行。

2.打開TWMZM_single_run.opf。雙擊Parametric System并在Parameter選項卡中為每個輸入指定值。

3.運行項目。包括BER在內(nèi)的結(jié)果可以在Parametric系統(tǒng)的Result designs選項卡中訪問。

相關(guān)出版物

HaoXuetal.,"DemonstrationandCharacterizationofHigh-SpeedSiliconDepletion-ModeMach–ZehnderModulators",IEEEJournalofSelectedTopicsinQuantumElectronics,Vol.20,No.4(2014)

本節(jié)提供有關(guān)使用OptiSLang項目文件的其他信息，包括打開項目時的一些提示。

更新launcher目錄：Lumerical和HFSS啟動器的目錄可能因每個用戶而異，例如，取決于安裝的版本。對于AMOP模塊中的每個塊（CHARGE、FDE和HFSS），請確保正確選擇目錄。為此，請轉(zhuǎn)到設(shè)置選項卡并檢查可執(zhí)行文件路徑。

重新定位文件：打開optiSLang時，您可能會收到與從其他模擬中查找關(guān)聯(lián)文件相關(guān)的提示。您可以根據(jù)自己的喜好決定使用三個選項之一（例如，自動或自定義重新定位）。

引用的值：如果保存的元件級仿真與optiSLang中指定的初始輸入值不同，您將收到一個提示，要求您選擇感興趣的值。根據(jù)要繼續(xù)處理的值，選擇兩個選項中的任何一個。

較新版本：您可能會收到一條提示，指出該文件是使用以前版本的optiSLang創(chuàng)建的。只要您繼續(xù)使用該軟件的新版本，這應(yīng)該不會造成任何問題。

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