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FDE仿真控制面板
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  • 仿真控制

FDE仿真控制面板

本节是关于本征模有限差分（FDE）仿真控制平台设置的介绍。

添加FDE求解器并设置完工程后，点击FDE选项卡的To run按钮以运行软件，软件右侧界面会自动弹出仿真控制面板，模式分析被设置在仿真控制平台内。

仿真控制界面

模式分析窗口

FDE仿真控制平台默认窗口如下图所示，默认窗口主要包括模式列表、模式存储、模式展示和模式分析设置四部分。

slover_mode_analysis.png

Number Class Description
1 模式列表 展示解模得到的模式参数。
2 模式工作区 数据存储库；存储执行复杂操作（如模态耦合）所需的所有信息。
3 模式展示 选择需要绘制的结果类型和分量等信息。
4 设置计算参数 输入模式分析所需的参数并运行解模。

频率分析窗口

分析类型（Analysis type）设置为Frequency sweep analysis时显示频率分析窗口。

频率分析窗口的界面如下图所示：

slover_frequencysweep.png

Number Class Description
1 频率分析绘图区 选择绘制的结果类型和分量等信息。
2 设置计算参数 自定义频率分析的参数并运行解模。

模式耦合窗口

当用户切换到Overlap时，进入模式耦合界面，该界面主要显示当前选择模式的图像，以及耦合的结果数据。

slover_overlap.png

FDE仿真控制平台的基本设置

模式列表

Mode list显示解模得到的模式信息。

Name Description
Mode# 模式序号。
Effective index 模式的等效折射率。
TE/TM fraction 模式中TE和TM模式能量分布相对大小。
Loss 模式的传输损耗，即光信号在波导器件中由于吸收、散射等因素引起的能量衰减。
Wavelength 当前解模的波长。
Mode name 模式名称。

等效折射率

使用以下公式计算模式的等效折射率（Effective Index）:

neff=cv=βk0n_{eff}= \frac{c}{v}=\frac{\beta}{k_0}

其中cc是真空中的光速，vv是模式的群速度，β\beta是模式的传播常数，k0k_0是自由空间的波矢量k0=2πλk_0=\frac{2\pi}{\lambda}。

TE/TM占比

TE/TM占比（TE/TM fraction(%)）表示模式中TE和TM模式能量分布相对大小。其计算公式为：

 TE fraction =1−∫∣E⊥∣2dA∣∣∫(∣E∣2)dA∣∣\text{ TE fraction } = 1-\frac{\int\left|E_{\perp}\right|^{2} dA_{||}}{\int\left(|E|^{2}\right) dA_{||}}

TM fraction = 1−∫∣H⊥∣2dA∣∣∫(∣H∣2)dA∣∣\text{TM fraction } =  1-\frac{\int\left|H_{\perp}\right|^{2} dA_{||}}{\int\left(|H|^{2}\right) dA_{||}}

其中E⊥E_{\perp}为沿传播方向的电场分量，H⊥H_{\perp}沿传播方向的磁场分量，A∣∣A_{||}光波导模式截面上的积分面积。

损耗

使用以下公式计算模式的传输损耗(Loss(dB/cm))：

Loss(dB/cm)=−0.2log10(e−2π/λ){Loss (dB/cm)} = -0.2log_{10}(e^{-2\pi / \lambda})

模式工作区

模式工作区（Mode workspaces）是执行复杂操作（如模态重叠）所需的所有信息的数据存储库，存储的数据可以来自模式列表（Mode list），也可以由用户导入。
下面展示将数据加载到模式工作区窗口的方法。

存储模式列表中的数据

在模式列表中通过右键单击所需的模式，然后点击Add to model space将该模式的数据加载到模式工作区。

solver_loadmodelist.png

存储用户导入的数据文件

在模式工作区窗口右键单击，然后点击Load选择数据文件加载到模式工作区。

solver_modes_workspace.png

Name Description
Name 数据名称。
Dimensions 数据维度。

模式分析

分析类型（Analysis type）选择Model analysis为模式分析，包含设置计算参数和结果图像两部分。

光束轮廓

Beam profile为所选模式的数据图像。

Name Description
Results 允许用户指定绘制的数据类型，下拉选择Mode fields和Index两种数据类型。
Components Results选择Mode fields时，分量可选择：E Magnitude，Ex，Ey，Ez，H Magnitude，Hx，Hy，Hz；Results选择Index时，分量可选择：Index_x，Index_y，Index_z。
Scalar Abs：所选分量的模；Re：所选分量的实数部分；Im：所选分量的虚数部分；Phase：所选分量的辐角。
Refresh 更新图像。
Visualize data 打开数据可视化窗口。
Plot in new window 将图像绘制在新的窗口。

设置计算参数

Name Description
Total modes 解模的最大模数。
  • 频率
Name Description
Frequency 求解模式的频率，只读参数。
Wavelength 求解模式的波长，只读参数。
  • 猜想
Name Description
Use max refractive index 使用结构的最大折射率进行模式计算。
Guess value 指定模式计算的折射率；用于计算接近用户自定义的等效折射率值的模式，取消勾选Use max refractive index时启用该项。
  • 弯曲波导

当求解弯曲波导的模式时启用该项。

Name Description
Bend radius 弯曲波导的曲率半径。
Bend waveguide width 弯曲波导的宽度。
  • TE/TM
Name Description
Quasi-TE 准横向电场模式；Quasi-TE模式电场主要集中在垂直于传播方向（横向），在传播方向（纵向）可能存在一些非零的电场分量，而TE模式电场完全集中在垂直于传播方向（横向），即传输方向（纵向）上没有电场分量。
Quasi-TM 准横向磁场模式；Quasi-TM模式磁场主要集中在垂直于传播方向（横向），在传播方向（纵向）可能存在一些非零的磁场分量，而TM模式磁场完全集中在垂直于传播方向（横向），即传输方向（纵向）上没有磁场分量。
All 全部模式。
  • 解模状态
Name Description
Solve modes 通过点击此按钮，模式求解器将根据用户设置的参数求解模式。

频率分析

分析类型选择Frequency sweep analysis，包含设置计算参数和结果图像两部分。频率分析是在不同的频率点进行模式求解，从而获得群折射率、色散和损耗等特性。

因此，频率分析的相关设置与模式分析类似，请参阅上文模式分析部分的相关设置。

模式耦合

当用户切换到Overlap时，进入模式耦合界面，该标签页主要用于求解模式耦合。

Name Description
Solve overlap 计算模式列表的模式与模式工作区的模式的耦合。
Components 下拉选择场分量：E Magnitude，Ex，Ey，Ez，H Magnitude，Hx，Hy，Hz。
Scalar Abs：所选分量的模；Re：所选分量的实数部分；Im：所选分量的虚数部分；Phase：所选分量的辐角。
Table mode profile selected 当前选择模式列表中的模式图像。
Workspace mode profile selected 当前选择模式工作区的模式图像。

案例：SMF-28光纤

SMF-28光纤