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前言

在本示例中，Lumerical和HFSS在建模行波波導(dǎo)調(diào)制器方面的功能與optiSLang相結(jié)合，提供了強(qiáng)大的優(yōu)化能力，用于尋找具有最佳性能的設(shè)計(jì)。

綜述

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。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，我們將各個組件級別的仿真（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)行各個獨(dú)立仿真的快速說明。這包括CHARGE、MODE、HFSS和INTERCONNECT項(xiàng)目文件?？梢月?lián)系工作人員咨詢有關(guān)Lumerical中器件組件級和電路級分析的詳細(xì)說明。

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)。

隨后，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。

運(yùn)行和結(jié)果

第 1 步：組件級模擬 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。模型對象針對loss、group index和effective等結(jié)果進(jìn)行設(shè)置以便optiSLang訪問。

3. 打開并運(yùn)行文件“RFTransmissionLine.aedt”。運(yùn)行的話請轉(zhuǎn)到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，您可以選擇自動重新定位的選項(xiàng)（更多信息可以參閱附錄）。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(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(xiàng)（更多信息可以參閱附錄）。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。對于與步驟2類似的操作，請?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主界面后，右鍵點(diǎn)擊AMOP模塊并選擇"Show post processing（顯示后期處理）"功能。當(dāng)前項(xiàng)目文件已集成該元模型的完整分析結(jié)果，包含指定輸入條件下器件的損耗特性、n型/p型摻雜分布等關(guān)鍵參數(shù)的可視化呈現(xiàn)。這為后續(xù)開展多參數(shù)耦合分析奠定了基礎(chǔ)，使用戶能夠基于已構(gòu)建的代理模型對任意輸入組合進(jìn)行快速預(yù)測評估。

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(xiàng)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(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，同時會使完成所需的時間加長。用戶可通過勾選"顯示高級設(shè)置"（Show Advanced Setting）選項(xiàng)來設(shè)置采樣選項(xiàng)。

在本項(xiàng)目中，我們采用高級拉丁超立方體采樣法（Advanced Latin Hypercube Sampling），具體參數(shù)配置為：初始樣本量設(shè)置為60組，通過70%-30%的比例分配實(shí)現(xiàn)預(yù)后系數(shù)（CoP）重要性評估與優(yōu)化目標(biāo)的權(quán)重平衡。同時設(shè)定每輪迭代采樣數(shù)為12組，并執(zhí)行至少6次迭代循環(huán)以完成元模型構(gòu)建。運(yùn)行后，每個設(shè)計(jì)的單獨(dú)結(jié)果都會在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。每個輸入的總有效性以紅色報(bào)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(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，所有單個設(shè)計(jì)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(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3DCloud圖，以獲得這三個品質(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，由于不同品質(zhì)因數(shù)之間必然存在權(quán)衡，目前有多個設(shè)計(jì)方案被證實(shí)具備最佳性能。最終選擇可能會根據(jù)模型需求或優(yōu)化優(yōu)先級而有所不同。您可通過點(diǎn)擊圖表中的任意數(shù)據(jù)點(diǎn)，實(shí)時更新對應(yīng)的輸入?yún)?shù)及結(jié)果可視化界面。

通過該界面可直觀查看所選最優(yōu)設(shè)計(jì)對應(yīng)的摻雜濃度、偏移量及電極特性等精確參數(shù)值，從而獲取最佳性能配置。

用戶可通過在參數(shù)求解器系統(tǒng)中集成INTERCONNECT工具，對誤碼率（Bit Error Rate, BER）進(jìn)行深入分析。相較于初始設(shè)計(jì)，這些優(yōu)化參數(shù)可動態(tài)更新仿真模型，并實(shí)時監(jiān)測BER性能指標(biāo)的變化趨勢。有關(guān)此內(nèi)容的詳細(xì)說明可以聯(lián)系工作人員進(jìn)行了解。

使用參數(shù)更新模型

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(jìn)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(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，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(jì)算結(jié)果分配給第一個函數(shù)中定義的輸出來返回計(jì)算結(jié)果。

進(jìn)一步開發(fā)模型

參數(shù)求解器系統(tǒng)中包含的INTERCONNECT提供了一個單獨(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?；诓襟E三獲取的優(yōu)化參數(shù)動態(tài)更新輸入配置，可實(shí)時追蹤品質(zhì)因數(shù)（FoM）的迭代優(yōu)化進(jìn)程。

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。

其他資源

相關(guān)出版物

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

附錄

本節(jié)提供有關(guān)使用OptiSLang項(xiàng)目文件的其他信息，包括打開項(xiàng)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(xiàng)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(xiàng)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(xiàng)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。