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(jìn)行相位調(diào)制，并由鋁共面?zhèn)鬏斁€驅(qū)動(dòng)。我們的目標(biāo)是找到具有最佳性能指標(biāo)的設(shè)計(jì)，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(gè)組件級(jí)別的仿真（包括電荷、光學(xué)和射頻建模）整合到optiSLang中。在optiSLang中，我們創(chuàng)建了設(shè)計(jì)的元模型，并對(duì)大量輸入進(jìn)行優(yōu)化，以找到最佳設(shè)計(jì)。還可以將INTERCONNECT添加到optiSLang中，以進(jìn)一步評(píng)估所選設(shè)計(jì)的誤碼率（BER）
第 1 步
此步提供了運(yùn)行各個(gè)獨(dú)立仿真的快速說明。這包括CHARGE、MODE、HFSS和INTERCONNECT項(xiàng)目文件。有關(guān)Lumerical中器件組件級(jí)和電路級(jí)分析的詳細(xì)說明，請(qǐng)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(gè)主要模塊組成。首先是Parametric求解器系統(tǒng)，它將各個(gè)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(gè)模塊中的位置，并識(shí)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(yùn)行此模塊將運(yùn)行其設(shè)置中指定的組件級(jí)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(jì)。此處對(duì)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(xiàng)目文件和處理提示的其他提示
第 1 步：組件級(jí)模擬
CHARGE、MODE、HFSS和INTERCONNECT
1.打開并運(yùn)行文件tw_modulator_DEVICE_par.ldev。仿真計(jì)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(duì)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(yùn)行文件tw_modulator_optical_MODE.lms。模型對(duì)象針對(duì)loss、group index和effective等結(jié)果進(jìn)行設(shè)置，以便optiSLang訪問。
3.Simulation選項(xiàng)卡，然后單擊Analyze All。該文件用于計(jì)算傳輸線的RF屬性，包括阻抗、有效指數(shù)和損耗。運(yùn)行后，可以在RF傳輸線>傳輸線（Driven Modal）>Results的Object tree中訪問和可視化結(jié)果。這些稍后也被optiSLang使用。
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(dòng)重新定位的選項(xiàng)（更多信息請(qǐng)參閱附錄）。這是一個(gè)優(yōu)化文件，它使用來自組件級(jí)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(duì)結(jié)果進(jìn)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(qǐng)雙擊AMOP模塊中的CHARGE。如果收到有關(guān)引用值的提示，請(qǐng)選擇第一個(gè)選項(xiàng)（更多信息見附錄）。在設(shè)置選項(xiàng)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(shí)計(jì)算板電阻和結(jié)電容（不需要運(yùn)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(jì)算波導(dǎo)的光學(xué)特性與電壓的函數(shù)關(guān)系。對(duì)于與步驟2類似的操作，請(qǐng)?jiān)贏MOP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(biāo)準(zhǔn)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(duì)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(duì)廣泛的輸入進(jìn)行快速評(píng)估。
元模型優(yōu)化側(cè)重于三個(gè)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(xiàng)卡：
優(yōu)化是對(duì)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(jìn)行的：
在模塊的Parameter選項(xiàng)卡中選中這些輸入項(xiàng)。
找到適當(dāng)數(shù)量的樣本很重要。組件級(jí)仿真的運(yùn)行次數(shù)與Adaption選項(xiàng)卡中指定的次數(shù)相同。增加次數(shù)可以提高達(dá)到模型良好表示的概率，同時(shí)會(huì)使完成所需的時(shí)間加長。您可以通過選中’show advanced setting’按鈕來設(shè)置采樣選項(xiàng)。對(duì)于這個(gè)項(xiàng)目，我們選擇了高級(jí)拉丁超立方體采樣選項(xiàng)，其中包含60個(gè)初始樣本，局部CoP（預(yù)后系數(shù)）的重要性和優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)之間有70-30的分配。我們還選擇了每次迭代12個(gè)樣本，至少進(jìn)行6次迭代來生成元模型。運(yùn)行后，每個(gè)設(shè)計(jì)的單獨(dú)結(jié)果都會(huì)在Result designs選項(xiàng)卡（如下）中報(bào)告，并生成元模型。
在后處理結(jié)果（步驟2.3）中，模型質(zhì)量在CoP矩陣中報(bào)告。每個(gè)輸入的總有效性以紅色報(bào)告。單擊這些值也會(huì)更新3D表面圖，表示輸出對(duì)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(jì)
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(biāo)準(zhǔn)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(gè)設(shè)計(jì)的概覽都顯示在Pareto圖（2D或3D）中?？梢栽诖颂庍x擇具有input值的最佳設(shè)計(jì)。
在這里，我們的目標(biāo)是實(shí)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(dòng)3DCloud圖，以獲得這三個(gè)品質(zhì)因數(shù)的所有設(shè)計(jì)的概覽。最好的設(shè)計(jì)是位于繪圖邊緣的所有點(diǎn)，也稱為帕累托邊界。為了能夠更好地可視化這些設(shè)計(jì)，請(qǐng)點(diǎn)擊Select best designs（s），點(diǎn)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(jì)被報(bào)告為最好的，因?yàn)槠焚|(zhì)因數(shù)之間不可避免地會(huì)有妥協(xié)。根據(jù)模型要求或優(yōu)化優(yōu)先級(jí)，最終選擇可能會(huì)有所不同。您可以單擊任何點(diǎn)，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(jì)的結(jié)果。
可以通過在參數(shù)求解器系統(tǒng)中包含INTERCONNECT來進(jìn)一步分析，以獲得BER。與初始設(shè)計(jì)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(xì)說明，請(qǐng)參閱“進(jìn)一步演示模型”部分。
運(yùn)行項(xiàng)目：目前在optiSLang中，給定設(shè)置的元模型和優(yōu)化結(jié)果存儲(chǔ)在項(xiàng)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(qǐng)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(duì)象中定義，以便optiSLang訪問。要在優(yōu)化中使用新輸入，請(qǐng)確保在model對(duì)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(duì)其他結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化：為此，請(qǐng)確?？梢詮腃HARGE（在腳本tw_modulator_DEVICE_cac.lsf中定義）和FDE（在模型對(duì)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(dòng)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(biāo)準(zhǔn)（AMOP和進(jìn)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(jì)算電容和電阻）和公開結(jié)果（例如Vpi_Lpi）。更新文件時(shí)，請(qǐng)務(wù)必遵循現(xiàn)有模板。這些文件由三個(gè)功能組成;前兩個(gè)定義optiSLang的結(jié)果和輸入。第三個(gè)函數(shù)可用于后處理，通過將計(jì)算結(jié)果分配給第一個(gè)函數(shù)中定義的輸出來返回計(jì)算結(jié)果。
參數(shù)求解器系統(tǒng)中包含的INTERCONNECT提供了一個(gè)單獨(dú)的optiSLang項(xiàng)目文件，可以計(jì)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(jìn)。
1.打開tw_modulator_INTC_eye.icp并確保文件已運(yùn)行。
2.打開TWMZM_single_run.opf。雙擊Parametric System并在Parameter選項(xiàng)卡中為每個(gè)輸入指定值。
3.運(yùn)行項(xiàng)目。包括BER在內(nèi)的結(jié)果可以在Parametric系統(tǒng)的Result designs選項(xiàng)卡中訪問。
相關(guān)出版物
HaoXuetal.,"DemonstrationandCharacterizationofHigh-SpeedSiliconDepletion-ModeMach–ZehnderModulators",IEEEJournalofSelectedTopicsinQuantumElectronics,Vol.20,No.4(2014)