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 propagate	As source port	选择作为光源输入的端口。
	Incident mode ID #	指定输入光源的模式序号（如 1、2 等）。
	EME propagate	点击此按钮，将根据用户指定的输入模式，计算并输出各端口的 S 参数矩阵。

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 EME Port Group ，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 #

EME Port Group 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 #

EME Port Group 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 EME Port Group 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 $3\times 3$ 的 S 矩阵，其中包含反射系数（如 $S_{11}$）和透射系数（如 $S_{21}$）。

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 $4 \times 4$ 的 S 矩阵，其结果在软件中如下图所示：

该 $4 \times 4$ S 矩阵的索引遵循以下图中所示规则。矩阵中的每个元素 $S_{mn}$ 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
$S_{11}$	输出端口1模式1对于输入端口1模式1的反射系数。
$S_{12}$	输出端口1模式1对于输入端口1模式2的反射系数。
$S_{13}$	输出端口1模式1对于输入端口2模式1的透射系数。
$S_{14}$	输出端口1模式1对于输入端口2模式2的透射系数。
$S_{21}$	输出端口1模式2对于输入端口1模式1的反射系数。
...	...
$S_{33}$	输出端口2模式1对于输入端口2模式1的反射系数。
...	...
$S_{44}$	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。