EME仿真控制面板
EME 控制面板 #
本节介绍本征模扩展 (Eigenmode Expansion, EME) 求解器的仿真控制面板。
其控制面板各按钮功能如下图所示：
| Name | Description | |
|---|---|---|
| Design | To Design | 切换回设计视图。 |
| Graphics | Translucent | 设置结构的透明度；1 代表不透明，0 代表完全透明。 |
| Hide Material | 隐藏视图中的材料结构；勾选后启用。 | |
| Hide Fields | 隐藏视图中的场分布；勾选后启用。 | |
| Progress | Status | 显示当前仿真状态与进度。 |
| Run EME | 运行 EME 仿真，得到监视器以及各单元和端口的本征模结果。 | |
| Tool | 控制仿真数据文件的打开与清除。 | |
| EME Analysis | Hide EME Analysis Window | 隐藏 EME 分析窗口。 |
EME 分析窗口 #
在点击运行 EME 仿真后，会出现 EME 分析窗口，其具体各项功能如下：
| Number | Name | Description |
|---|---|---|
| 1 | EME Cell Geometry | 定义单元组的位置、范围及子单元数量。 |
| 2 | Select Source | 配置输入光源端口及注入模式。 |
| 3 | Periodicity | 修改周期区域的重复次数。 |
| 4 | Propagation Sweep | 扫描单元组长度以分析不同区域长度对 S 矩阵的影响。 |
| 5 | Wavelength Sweep | 扫描 S 矩阵随波长的变化情况。 |
| 6 | Mode Convergence Sweep | 通过增加模式数量来测试 S 矩阵的收敛性。 |
点击 EME Propagate 按钮，将根据用户的设置，计算各端口的 S 参数矩阵。
在高级设置中可以设置容差，具体详情可见 EME 求解器高级。
EME 单元设置 #
该部分以表格形式显示各单元组的位置及范围。其设置与 EME 求解器属性设置下的 EME 设置 一致。
选择光源 #
该部分用于配置输入光源。这些设置仅影响场分布监视器所记录的场分布，不会影响 S 矩阵结果。
| Name | Description |
|---|---|
| As source port | 从列表中选择一个现有端口作为光源注入端口。 |
| Incident mode ID # | 选择注入模式的编号。 |
周期性设置 #
对于具有周期性的结构，可以在此部分指定哪些单元为周期和周期单元的重复次数。此功能常用于扫描如光纤布拉格光栅（FBG）等器件的周期数。
| Name | Description |
|---|---|
| Start cell group | 周期性单元的起始单元组。 |
| End cell group | 周期性单元的结束单元组。 |
| Periods | 周期性单元重复的次数。 |
传播扫描 #
扫描单元组的长度（范围或周期），以分析不同区域长度对 S 矩阵的影响。该功能允许在不重新计算每个单元模式的情况下，快速计算一系列不同长度下的 S 矩阵结果。
| Name | Description |
|---|---|
| Start (um) | 设置待扫描单元组的起始长度。 |
| Stop (um) | 设置待扫描单元组的终止长度。 |
| Interval | 设置各扫描点之间的长度间隔。 |
| Number of points | 设置扫描范围内的总点数。 |
| Propagation sweep | 点击运行传播扫描。 |
| Visualize propagation sweep | 点击可视化 S 矩阵各元素随单元组长度变化的曲线。 |
其中，扫描步长由长度间隔和总点数二者选一定义即可。
波长扫描 #
通过指定波长范围和计算点数，实现 S 矩阵随波长的扫描。波长扫描不会重新求解模式，适用于模场随波长变化不大的场景。
| Name | Description |
|---|---|
| Start wavelength (um) | 设置起始波长。 |
| Stop wavelength (um) | 设置终止波长。 |
| Number of wavelength points | 设置波长扫描的点数。 |
| Wavelength sweep | 执行波长扫描。 |
| Visualize wavelength sweep | 查看波长扫描结果。 |
模态收敛性扫描 #
通过改变每个 EME 单元中的最大模式数目，得到 S 矩阵随模式数的变化，从而进行模式数目收敛性测试。由于不需要重新计算模式，可以快速比较不同模式数量下的 S 矩阵差别。
| Name | Description |
|---|---|
| Start mode | 设置起始模式数。为保证 S 矩阵完整，该值必须大于或等于所有端口中的最大模式数。 |
| Mode interval | 设置模式增加的间隔。 |
| Mode sweep | 执行模态收敛扫描。扫描将从起始模式数开始，按间隔递增，直到当前仿真中设定的模式数为止。 |
| Visualize mode sweep | 查看 S 矩阵元素随模式数量变化的可视化结果。 |
扫描过程中，如果不同单元组允许的最大模式数不同，扫描将一直进行到所有单元组中最大的模式数为止。所有单元组的模式数会同步增加；当某个单元组的模式数达到其自身上限后，该单元组将保持该最大值不变，而其他未达上限的单元组则继续增加，直到各自的上限。
EME 功能区 #
EME 求解器的功能区提供三个主要功能：EME Port、Monitor 和 Mesh。
- EME Port：用于添加端口组，其设置方式与常规端口基本一致。
- Monitor：用于添加场轮廓监视器（EME Profile）和折射率监视器（Index）。
- Mesh：用于在 EME 仿真区域内添加自定义网格。
EME Port #
点击 EME Port 后，会添加一个 Ports ，组内默认包含两个端口。关于该端口组的详细设置如下所述。
几何尺寸 #
Ports 的几何范围默认与 EME 求解器区域完全重合。用户可手动选择输入端口位于 EME 求解器区域的左侧或右侧。还可通过设置组内每个端口的 Geometry 参数，调整端口的宽度。
光源属性 #
Ports 中关于光源属性 (Source Properties) 的设置用于定义光源的注入方式。
| Name | Description |
|---|---|
| As source port | 从下拉列表中选择当前组内的哪个端口作为光源注入端口。 |
| Incident mode ID # | 指定注入光源的模式序号。该序号对应于该端口计算出的本征模式编号（从1开始）。 |
监视器属性 #
Monitor properties 用于设置端口作为监视器时的记录属性。
| Name | Description |
|---|---|
| Data type | 记录数据的类型，此处为Frequency-domain（频域），为只读参数。 |
| Spatial sampling | 空间采样。设置空间采样分辨率。 |
| Spatial resolution | 设置传播方向上的分辨率，默认为100。 |
端口设置 #
右键点击 Ports 中的单个端口，可进入其详细属性进行配置。其中大部分设置与普通端口一致，详情可参考端口设置。
Monitors #
EME 求解器中目前包含两种监视器：场轮廓监视器（EME Profile）用于记录沿传播方向的场分布，折射率监视器（Index）用于记录波导结构的折射率分布。此外，器件的端口透射与反射特性可通过下文“EME 结果”中的 S 参数矩阵获取，该矩阵反映了各端口间不同模式的传输、反射及模式转换信息。
EME Profile #
该监视器用于查看仿真区域内沿传播方向的电磁场分布，其基本设置与 FDFP 监视器一致，详情见FDFP监视器。对于 MMI 器件，该监视器可以直观显示电磁场在器件中的传播，结果如下图所示：
Index #
该监视器用于查看指定区域内的相对折射率分布，其基本设置与 FDTD 求解器中的 Index 监视器一致。详细信息请参考折射率监视器的设置。
Mesh #
该选项允许用户添加自定义网格，其基本设置与 FDTD 求解器中的自定义网格一致。详细信息请参考自定义网格的设置。
EME 结果 #
EME 求解器的仿真结果主要包含以下三部分内容：
- S 参数结果：点击 EME propagate 按钮运行得到结果，保存在 EME 求解器中，提供两组 S 矩阵结果：Internal S Matrix 和 User S Matrix。
- 监视器数据：包括场轮廓监视器（EME Profile）记录的场分布，以及折射率监视器记录的折射率分布。
- 单元与端口模式信息：每个单元求解得到的本征模式信息（如有效折射率、模式场分布等），以及端口处作为监视器记录的模式场数据。
以下详细介绍 EME 求解器的各类结果。
Internal S Matrix #
Internal S Matrix 是基于 EME 算法中所有单元界面计算得到的本征散射矩阵。仿真时，EME 求解器将器件沿传播方向划分为多个单元，并计算每个单元界面处所有可能存在的模式之间的透射和反射系数。通过级联这些单元界面的 S 矩阵，最终获得整个器件的 Internal S Matrix。该矩阵包含了输入和输出端口处所有可能模式之间的完整响应，是反映器件本征特性的广义散射矩阵。
User S Matrix #
User S Matrix 是基于用户在端口处选择的特定模式计算得到的 S 参数结果。用户可在器件的输入和输出端口指定感兴趣的模式（如 TE0、TM0 等），仿真结果仅针对这些选定的端口模式给出 S 矩阵。User S Matrix 的维度取决于端口数量及每个端口选择的模式数量。例如，对于一个三端口器件，若每个端口选择一种模式，则得到 3×3 的 S 矩阵，其中包含反射系数（如 S11）和透射系数（如 S21）。
更进一步的，以两端口器件为例，若在每个端口各选择两个模式进行计算，将得到一个 4×4 的 S 矩阵，其结果在软件中如下图所示：
该 4×4 S 矩阵的索引遵循以下图中所示规则。矩阵中的每个元素 Smn 表示从输入端口/模式的组合 n 到输出端口/模式的组合 m 的传输系数。
| Name | Description |
|---|---|
| S11 | 输出端口1模式1对于输入端口1模式1的反射系数。 |
| S12 | 输出端口1模式1对于输入端口1模式2的反射系数。 |
| S13 | 输出端口1模式1对于输入端口2模式1的透射系数。 |
| S14 | 输出端口1模式1对于输入端口2模式2的透射系数。 |
| S21 | 输出端口1模式2对于输入端口1模式1的反射系数。 |
| ... | ... |
| S33 | 输出端口2模式1对于输入端口2模式1的反射系数。 |
| ... | ... |
| S44 | 输出端口2模式2对于输入端口2模式2的反射系数。 |
单元与端口结果 #
在 EME 仿真中，每个单元独立求解本征模式，这些模式信息是构成 S 参数的基础。用户可以查看单个单元的结果数据：
| Name | Description |
|---|---|
| neff | 每个模式的有效折射率。 |
| neff_TE | 该模式的 TE 偏振相似度。 |
| neff_TM | 该模式的 TM 偏振相似度。 |
| index | 当前单元的折射率分布数据（空间坐标的函数）。 |
| Mode Fields | 每个模式在单元横截面上的场分布图，用于可视化模场形状及能量分布。 |
| TE Fraction | 每个模式的 TE 偏振占比（0 到 1），表示模式能量中 TE 分量所占的比例。 |
| mode selection | 用户在此单元选择的模式序号。 |
| overlap | 当前单元各模式与相邻单元各模式之间的重叠积分，用于分析模式在不同单元的耦合。 |
| S | 描述当前单元与下一个单元之间，不同模式的 S 参数矩阵。 |
端口通常位于 EME 仿真区域的边界，同样可以获得端口所在位置的模式信息。因此，端口的结果数据类型与单元结果数据类型基本相同。