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前言

在本示例中，Lumerical和HFSS在建模行波波導調制器方面的功能與optiSLang相結合，提供了強大的優化能力，用于尋找具有最佳性能的設計。

綜述

本文基于現有的硅波導建模示例，該波導通過反向偏置的pn結進行相位調制，并由鋁共面傳輸線驅動。我們的目標是找到具有最佳性能指標的設計，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。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，我們創建了設計的元模型，并對大量輸入進行優化，以找到最佳設計。還可以將INTERCONNECT添加到optiSLang中，以進一步評估所選設計的誤碼率（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?？梢月撓倒ぷ魅藛T咨詢有關Lumerical中器件組件級和電路級分析的詳細說明。

第 2 步

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

隨后，將敏感度向導應用于系統以創建元模型模塊（此處稱為AMOP）。運行此模塊將運行其設置中指定的組件級仿真，并獲取相應輸入的結果。

第 3 步

最后，使用優化向導來根據選定的輸入找到最佳結果。這依賴于已創建的元模型，因此能夠快速在廣泛的輸入范圍內找到最佳設計。此處對應的模塊命名為Evolutionary Algorithm。

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

運行和結果

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。仿真計算并導出波導上的電荷分布作為偏置電壓的函數。模型對象設置為包含和應用輸入CHARGE參數。這是optiSLang讀取輸入并在后續步驟中應用它們所必需的。

2. 打開并運行文件tw_modulator_optical_MODE.lms。模型對象針對loss、group index和effective等結果進行設置以便optiSLang訪問。

3. 打開并運行文件“RFTransmissionLine.aedt”。運行的話請轉到Simulation選項卡，然后單擊Analyze All。該文件用于計算傳輸線的RF屬性，包括阻抗、有效指數和損耗。運行后，可以在RF傳輸線>傳輸線（Driven Modal）>Results的Object tree中訪問和可視化結果。這些稍后也被optiSLang使用。

第 2 步：optiSLang-創建元模型

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

2. 在optiSLang中加載腳本tw_modulator_DEVICE_cac.lsf。為此，請雙擊AMOP模塊中的CHARGE。如果收到有關引用值的提示，請選擇第一個選項（更多信息可以參閱附錄）。在設置選項卡中，單擊Change settings并在Custom script部分中選擇腳本文件。該腳本已經設置為在optiSLang使用時計算板電阻和結電容（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，該腳本設置為計算波導的光學特性與電壓的函數關系。對于與步驟2類似的操作，請在AMOP模塊的FDE設置中選擇腳本。

4. 雙擊AMOP模塊本身。這是創建的元模型采樣器，用于指定優化參數、標準和樣本數等設置。

5. 返回Scenery主界面后，右鍵點擊AMOP模塊并選擇"Show post processing（顯示后期處理）"功能。當前項目文件已集成該元模型的完整分析結果，包含指定輸入條件下器件的損耗特性、n型/p型摻雜分布等關鍵參數的可視化呈現。這為后續開展多參數耦合分析奠定了基礎，使用戶能夠基于已構建的代理模型對任意輸入組合進行快速預測評估。

元模型優化側重于三個品質因數：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：

優化是對波導n和p摻入物質的摻雜值及其位置（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。

找到適當數量的樣本很重要。組件級仿真的運行次數與Adaption選項卡中指定的次數相同。增加次數可以提高達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"顯示高級設置"（Show Advanced Setting）選項來設置采樣選項。

在本項目中，我們采用高級拉丁超立方體采樣法（Advanced Latin Hypercube Sampling），具體參數配置為：初始樣本量設置為60組，通過70%-30%的比例分配實現預后系數（CoP）重要性評估與優化目標的權重平衡。同時設定每輪迭代采樣數為12組，并執行至少6次迭代循環以完成元模型構建。運行后，每個設計的單獨結果都會在Result designs選項卡（如下）中報告，并生成元模型。

在后處理結果（步驟2.3）中，模型質量在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摻雜值的函數形式Vpi_Lpi為例：

第 3 步：optiSLang-優化和最佳設計

1. 雙擊Evolutionary Algorithm模塊。為此模塊設置了包括優化方法、最大樣本數和標準在內的設置。

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

在這里我們的目標是實現相移、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，以獲得這三個品質因數的所有設計的概覽。最好的設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，由于不同品質因數之間必然存在權衡，目前有多個設計方案被證實具備最佳性能。最終選擇可能會根據模型需求或優化優先級而有所不同。您可通過點擊圖表中的任意數據點，實時更新對應的輸入參數及結果可視化界面。

通過該界面可直觀查看所選最優設計對應的摻雜濃度、偏移量及電極特性等精確參數值，從而獲取最佳性能配置。

用戶可通過在參數求解器系統中集成INTERCONNECT工具，對誤碼率（Bit Error Rate, BER）進行深入分析。相較于初始設計，這些優化參數可動態更新仿真模型，并實時監測BER性能指標的變化趨勢。有關此內容的詳細說明可以聯系工作人員進行了解。

使用參數更新模型

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

使用新的輸入參數：CHARGE和FDE中的輸入在模型對象中定義，以便optiSLang訪問。要在優化中使用新輸入，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列拖到左側的Parameter列）。

針對其他結果進行優化：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）訪問品質因數，并將結果用作optiSLang中的響應（通過將它們從Outputs部分拖動到Responses）。然后，使用感興趣的品質因數更新步驟2和3中的優化標準（AMOP和進化算法設置）。

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）和公開結果（例如Vpi_Lpi）。更新文件時，請務必遵循現有模板。這些文件由三個功能組成，前兩個定義optiSLang的結果和輸入，第三個函數可用于后處理，通過將計算結果分配給第一個函數中定義的輸出來返回計算結果。

進一步開發模型

參數求解器系統中包含的INTERCONNECT提供了一個單獨的optiSLang項目文件，可以計算調制器的BER。從CHARGE、MODE和HFSS中收集與波導、光調制器和行波電極相關的參數，以創建緊湊的模型?；诓襟E三獲取的優化參數動態更新輸入配置，可實時追蹤品質因數（FoM）的迭代優化進程。

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在內的結果可以在Parametric系統的Result designs選項卡中訪問。

其他資源

相關出版物

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

附錄

本節提供有關使用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，請轉到設置選項卡并檢查可執行文件路徑。

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聯文件相關的提示。您可以根據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。根據要繼續處理的值，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創建的。只要您繼續使用該軟件的新版本，這應該不會造成任何問題。