(APOLLO PHOTONIC SOLUTIONS SUITE)
4.1.1 Giới thiệu sơ lược
Chƣơng trình phần mềm mô phỏng Apollo Photonic Solutions Suite (APSS) là một trong những công cụ mô phỏng quang mạnh mẽ nhất hiện nay. Đây là sản phẩm của hãng phần mềm quốc tế có trụ sở chính tại Canada Apollo, công ty chuyên cung cấp các giải pháp hàng đầu trong cộng đồng quang học, từ các thiết bị quang học phức tạp tới những mạch tích hợp tinh vi.
APSS là một công cụ thiết kế thế hệ mới cung cấp cho các nhà nghiên cứu một công cụ thiết kế, mô phỏng nhanh và hiệu quả các vật liệu quang, cấu trúc ống dẫn sóng, thiết bị quang học cũng nhƣ các mạch quang. APSS kết hợp các tính năng thiết kế tiên tiến cùng với công cụ mô phỏng sáng tạo. Khả năng độc đáo của APSS là cung cấp cho nhà thiết kế sự linh hoạt trong quá trình phát triển dự án. APSS đƣợc thiết kế dành cho cả ngƣời dùng phổ thông và ngƣời dùng chuyên sâu.
APSS cung cấp khả năng thiết kế từ vật liệu, ống dẫn sóng đến các thiết bị quang, mạch quang từ đơn giản cho đến cực kì phức tạp. Bằng cách này, một dự án thiết kế lớn và phức tạp có thể đƣợc tách riêng thành một số vấn đề nhỏ hơn và đơn giản hơn để đƣợc giải quyết từng bƣớc, có thể cho những ngƣời khác nhau có chuyên môn khác nhau thực hiện.[1]
4.1.2 Thiết kế ống dẫn sóng bằng APSS
a. Khởi tạo
Từ menu File, chọn New Project, sau đó chọn Waveguide. Có ba cách để khởi tạo một project waveguide mới:
Pre-defined: sử dụng cấu trúc mà phần mềm đã định nghĩa trƣớc. User-defined: ngƣời dùng có thể tự định nghĩa cấu trúc riêng của mình.
User-defined using pre-defined: thiết lập cấu trúc riêng sử dụng cấu trúc có sẵn. Nhấn Next để vào bƣớc tiếp theo: chọn vật liệu cho cấu trúc:chọn vật liệu từ danh sách có sẵn, đƣợc phân thành 3 nhóm: InP/InGaAsP, Silica, User-defined.
Trong mô phỏng của mình, chọn Silica, chọn M_Ge_doped Silica để có vật liệu tính toán theo công thức Sellmeier.
Hình 4.1 Chọn loại vật liệu cho cấu trúc
Nhấn Next chọn kiểu cấu trúc
Half Structure: Rút ngắn thời gian thiết kế và thời gian chạy mô phỏng. Nhƣng khi đó chỉ có thể mô phỏng ở chế độ straight (chỉ mô phỏng đƣợc ống dẫn sóng thẳng).
Whole Structure: Thời gian thiết kế và mô phỏng lâu hơn nhƣng có thể mô phỏng ở chế độ bendding (nghĩa là có thể mô phỏng ống dẫn sóng bị uốn cong). Nhấn Next, chọn Material, chọn Pure Silica
Nhấn Finish
b. Thiết lập cấu trúc
Sử dụng thanh công cụ để vẽ và thiết lập các lỗ khí
Hình 4.2 Thanh công cụ
Dựa vào tính chất của cấu trúc (ở đây mô phỏng cấu trúc lục giác) để thiết lập tọa độ, bán kính các lỗ khí qua các thông số pitch, bán kính lỗ, tọa độ tâm...
Bƣớc 1: Khai báo biến
Ở cửa sổ thiết kế Waveguide Editor, chọn tab Geometry, chọn User Defined, khai báo tất cả các biến có thể sử dụng đến trong quá trình thiết lập cấu trúc. Chọn biểu tƣợng trang giấy trắng để khai báo biến ở cột Variable và bắt buộc phải khai báo giá trị bằng số hoặc công thức ở cột Expression.
Hình 4.3 Khai báo biến
Bƣớc 2: Tạo lỗ khí
Nhấn vào hình dạng lỗ khí muốn thiết kế
Nếu lỗ khí có dạng tròn hoặc elip, nhấn biểu tƣợng elip và vẽ lên miền thiết kế, sau đó thiết lập vị trí lỗ khí trong cấu trúc qua các biến đã khai báo:
Sau khi thiết kế xong tất cả các lỗ khí của cấu trúc lục giác với 8 vòng đơn giản:
Hình 4.5 Cấu trúc lục giác thiết kế bằng APSS
b. Mô phỏng
Sau khi hoàn thành một cấu trúc, ta thực hiện chạy mô phỏng để tính toán các thông số và tính chất của sợi quang.
Để chạy mô phỏng, chọn menu Task từ menu chính, hoặc nhấn vào biểu tƣợng mô phỏng trên thanh công cụ. Tiếp theo chọn Simulation/Scanning. Hộp thoại thiết lập mô phỏng bật lên, nhập các thông số ta có thể tiến hành mô phỏng.
Quá trình mô phỏng sẽ theo trình tự nhƣ sau: ban đầu ta chạy mô phỏng cho bƣớc sóng 1,2µm, sau đó sẽ chạy cho toàn dải bƣớc sóng từ 1,2 tới 1,8 µm. Khi chạy mô phỏng ở bƣớc sóng 1,2 µm ta để chế độ semi-vector mục đích là tìm 1 giá trị initial guess mà ở giá trị đó làm cho phổ hội tụ (hay ánh sáng chủ yếu tập trung trong khu vực lõi của sợi quang). Khi tìm đƣợc giá trị đó ta sẽ tìm đƣợc 2 giá trị cụ thể tƣơng ứng trên trục x và y, sau đó ta chạy ở chế độ full-vector trên toàn dải bƣớc sóng từ 1,2 tới 1,8µm với số điểm chia là 11, 13, 15, 21... Sau đó tùy theo yêu cầu thiết kế mà ta thay đổi các thông số cấu trúc, thực hiện mô phỏng sao cho thu đƣợc tính chất mong muốn.
Sau đây sẽ trình bày quá trình chạy mô phỏng nói chung, các thiết lập cơ bản cũng ý nghĩa các thông số, cũng nhƣ các giá trị yêu cầu phải có trong quá trình mô phỏng.
Trên cửa sổ này ta có thể thiết lập dải bƣớc sóng và số điểm mô phỏng. Đồng thời có thể đƣợc tính cho ống dẫn sóng thẳng hoặc cong.
Thiết lập lƣới sai phân quét (hộp thoại sẽ hiện ra khi click vào Mesh Setting ở cửa sổ phía trên):
Ta sẽ chọn số điểm lƣới là 181 (giá trị tối thiểu để kết quả chấp nhận đƣợc là 151) cho cả trục X và trục Y, loại lƣới sai phân là liên tục (linear). Số điểm của lƣới càng lớn thì kết quả tính toán càng chính xác. Các thông số còn lại để theo mặc định của chƣơng trình.
Hình 4.7 Thiết lập lưới sai phân quét
Thiết lập các thông số trong tab FD
Đây là các thiết lập cực kì quan trọng, ảnh hƣởng trực tiếp tới các kết quả tính toán mô phỏng. Ở phần này là các thông số của phƣơng pháp sai phân hữu hạn (chọn trục, chọn số mode, chọn phƣơng pháp chạy, chọn phân cực…) và xác lập các điều kiện biên cho trục X và Y.
Hình 4.8 Thiết lập trong tab General Setting Ở tab con đầu tiên General Setting
Chọn trục là X/Y. Khi chạy ở 1 bƣớc sóng nhất định thì ta bỏ tick tùy chọn Polarization Coupling, còn khi chạy ở dải bƣớc sóng thì ta tick vào tùy chọn này. Ở phần Mode chọn Complex, số mode là 1. Ở phần Solver Type là Direct. Thiết lập điều kiện biên Boundary Condition: khi mô phỏng sợi ở dạng thẳng thì ta sử dụng giá trị là 8, còn khi chạy ở dạng bending thì giá trị này là 25.
Trên tab General Settings, ở phần Polarization khi chọn X mà không chọn Polarization Coupling thì chỉ có giá trị Ex(hoặc Hy) đƣợc tính toán (hình thức này có thể đƣợc coi là chế độ TE). Khi chọn Y mà không chọn Polarization Coupling thì các giá trị Ey (hoặc Hx) đƣợc tính toán (hình thức này có thể đƣợc gọi là chế độ TM). Khi X/Y đƣợc chọn, cả hai bộ các chế độ TE và TM đƣợc tính toán. 3 chế độ trên là chế độ semi-vector. Khi Polarization Coupling đƣợc chọn thì chế độ này đƣợc gọi là chế độ full-vector. Trong trƣờng hợp này tất cả các thành phần (Ex, Ey, Ez, Hx, Hy, và Hz) đƣợc tính toán.
Phƣơng pháp Direct tính toán nhanh, nhƣng đòi hỏi nhiều bộ nhớ.
chế. Với các máy tính hiện tại, hầu hết ngƣời dùng có thể chọn phƣơng pháp trực tiếp.
Ở tab con thứ hai Advanced Setting
Các thông số trong phần Solver Parameters đƣợc giữ nguyên mặc định. Ta chỉ quan tâm và thay đổi tới các giá trị initial guess trong cả 2 phần semi- và full- vector. Chú ý là khi chạy semi-vector thì giá trị initial guess là giá trị mà chúng ta nhập vào sao cho đạt yêu cầu về sự hội tụ ánh sáng ở trong cấu trúc, còn khi chạy full-vector 2 giá trị này là kết quả đã đƣợc chƣơng trình tính toán tƣơng ứng với giá trị initial guess phía trên.
Chạy mô phỏng
Nhấn vào biểu tƣợng trên thanh công cụ, hoặc chọn Run -> Simulation từ thanh menu.
Kết quả mô phỏng
Nhấn vào biểu tƣợng trên thanh công cụ, hoặc chọn Result -> Calculation -> Simulation từ thanh menu.