以下文章來源于微信公眾號：硅光口袋?，作者李子正
Lumerical軟件具有較強(qiáng)的擴(kuò)展性，可以仿真波長量級光電器件中的各種現(xiàn)象。軟件官網(wǎng)提供了各方向的基礎(chǔ)案例，利用自帶的腳本語言和數(shù)據(jù)傳遞流，將一部分功能打包以供調(diào)用。我們在進(jìn)行自己領(lǐng)域內(nèi)的仿真時，可以借鑒案例思路，使用腳本控制整個仿真過程。這方面的教程基本沒有，導(dǎo)致我自學(xué)軟件的時候浪費(fèi)了大量時間，這期借助一個簡單的例子：彎曲波導(dǎo)插入損耗的掃描，總結(jié)FDTD仿真中數(shù)據(jù)傳遞的方式，以及腳本控制該過程的方法。
首先，用如下一張動圖來表達(dá)軟件中指令和數(shù)據(jù)的關(guān)系。這里我用編程中常見的語言來類比（如云朵中所示），黑色箭頭代表指令的傳遞方向，紅色箭頭代表結(jié)果數(shù)據(jù)的返回方向?！癝cript File Editor”是個編譯器，其語法類似C和matlab的混合體，也支持python，用它可以控制仿真的整體運(yùn)行，這就像主函數(shù)調(diào)用各個自定義函數(shù)并對變量進(jìn)行操作的過程，結(jié)果各函數(shù)會將結(jié)果數(shù)據(jù)返回?！癘ptimizations and Sweeps'是用來實(shí)現(xiàn)參數(shù)化掃描和優(yōu)化的模塊，相當(dāng)于一個自定義函數(shù)，可以被主函數(shù)調(diào)用。剩下的部分都在項(xiàng)目樹中，“model”代表整個仿真模型，是極大的父類，包含了仿真區(qū)、結(jié)構(gòu)組、分析組、光源等子類，而波導(dǎo)、微環(huán)、監(jiān)視器等則是子類的子類，子子類。這些子類中包含了各種可調(diào)參數(shù)，包括位置、尺寸、材料等，以及用于記錄有限時域差分結(jié)果的數(shù)組變量，包括電場、磁場、透射譜等。
該流程圖以FDTD Solutions為基準(zhǔn)，可以推廣至其他幾個孿生軟件。接下來，用一個很簡單的測彎曲損耗的例子說明該過程，模型就是一個槽波導(dǎo)，如下圖。我們要實(shí)現(xiàn)的是一鍵掃描在不同彎曲半徑條件下，波導(dǎo)的插入損耗，并將相應(yīng)的結(jié)果圖畫出來。
接下來按照前面的流程圖，描述具體設(shè)置。在父類model中，在設(shè)置頁面設(shè)置變量bending_radius記錄波導(dǎo)的彎曲半徑，該參數(shù)可以被傳遞到任何子類內(nèi)，只需在設(shè)置頁面用腳本設(shè)置即可，具體如圖中所示。與使用其他仿真軟件類似，所有的設(shè)置盡量參數(shù)化（也就是盡量用自變量彎曲半徑來表達(dá)其他變量），這樣后續(xù)想要自變量時，其他內(nèi)容都會隨之改變，可以省去很多麻煩。
槽波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是用圖中的90 degree bend結(jié)構(gòu)組定義的，其下嵌套三個子結(jié)構(gòu)組，分別代表中間彎曲波導(dǎo)、左側(cè)直波導(dǎo)和右側(cè)直波導(dǎo)三部分。變量bending_radius由父類定義，記錄波導(dǎo)的彎曲半徑。在設(shè)置頁面腳本內(nèi)定義波導(dǎo)的寬度為0.6um，槽寬度為0.3um，通過設(shè)置mesh order實(shí)現(xiàn)覆蓋開槽。
類似地，在存放監(jiān)視器的分析組IL_cal中，父類中定義過的變量bending radius可以直接調(diào)用，在設(shè)置頁面定義監(jiān)視器的參數(shù)。同時，在分析頁面調(diào)用監(jiān)視器FDTD計(jì)算得到的結(jié)果，給出計(jì)算插入損耗的定義，設(shè)置分析組返回插入損耗和波長兩個結(jié)果。這兩個返回值可以選擇返回到父類model中，統(tǒng)一管理方便調(diào)用，這個例子很簡單只有一個分析組，所以不返回。雖然在流程圖里沒有體現(xiàn)，但分析頁面的作用也相當(dāng)于自定義函數(shù)，對于監(jiān)視器有限時域差分得到的結(jié)果，包括電場、磁場、時域頻域譜等，可以進(jìn)行取相位，計(jì)算時延色散，以及很多對于計(jì)算結(jié)果的初步處理。
這樣項(xiàng)目樹部分就設(shè)置好了，其他不發(fā)生改變的部分例如襯底、包覆層、光源波長范圍、監(jiān)視器監(jiān)視內(nèi)容等，可以將其看成常量，直接設(shè)置即可。這里為了簡便我沒有特別設(shè)置網(wǎng)格，可以將網(wǎng)格的參數(shù)定義在父類model里隨其他參數(shù)變化，也可以直接手動定義，是具體情況而定。軟件里有三種組，布局組只有定義位置坐標(biāo)的作用，結(jié)構(gòu)組可以實(shí)現(xiàn)繞xyz三個軸的任意角度旋轉(zhuǎn)。結(jié)構(gòu)組和分析組涉及到參數(shù)傳遞，可以進(jìn)行父類到子類的繼承，可以選擇將這兩類的參數(shù)定義在父類model中進(jìn)行統(tǒng)籌管理。只有分析組具有自定義函數(shù)的功能，通過在上面提到的在分析頁面中寫腳本，可以實(shí)現(xiàn)各種功能。
相信有些朋友也有這樣的感受：在草稿紙上計(jì)算大量點(diǎn)坐標(biāo)，構(gòu)建了一個非常復(fù)雜的模型，滿懷期待地點(diǎn)擊運(yùn)行之后，經(jīng)過長達(dá)十幾小時的等待，發(fā)現(xiàn)結(jié)果不盡人意，這時看著自己的模型，發(fā)現(xiàn)有些結(jié)構(gòu)上的坐標(biāo)已經(jīng)忘記當(dāng)時是怎么算的，想起來之后開始修改，發(fā)現(xiàn)牽一發(fā)而動全身，又得把所有點(diǎn)的坐標(biāo)重新算一遍。所以，在整個設(shè)置過程中，能參數(shù)化的地方盡量參數(shù)化，包括comsol等類似的軟件，這會使整個工程自動化，后續(xù)不管是優(yōu)化掃描還是導(dǎo)出到python、matlab處理，都方便很多，修改參數(shù)的時候也非常省心。
完成了項(xiàng)目樹部分的設(shè)置，接下來進(jìn)行器件設(shè)計(jì)中較常見的操作——參數(shù)掃描。軟件中將掃描、優(yōu)化、蒙特卡洛仿真和S參數(shù)提取放在了一個集合內(nèi)，較常用的還是掃描。掃描可以多級嵌套，也可以作為子過程嵌套在優(yōu)化中?，F(xiàn)在有比較成熟的python的接口，做優(yōu)化或者基于優(yōu)化進(jìn)行逆設(shè)計(jì)都可以實(shí)現(xiàn)。這里只進(jìn)行對自變量彎曲半徑的掃描，直接用腳本編輯器完成，如下圖所示。
當(dāng)然手動設(shè)置也是可行的，掃描和優(yōu)化存在嵌套時可能手動設(shè)置還更省心一點(diǎn)。如果先不運(yùn)行掃描，只執(zhí)行runsweep()函數(shù)之前的代碼，就在Optim-ization and Sweeps頁面得到掃描sweep_IL?？梢钥吹?，參數(shù)和結(jié)果均符合腳本編輯器中的設(shè)置。
執(zhí)行整個腳本，指令下達(dá)到Optimization and Sweeps，該函數(shù)循環(huán)十次，將父類中的變量bending_radius從小到大設(shè)置為從1um到20um的長度值，每次循環(huán)執(zhí)行一次FDTD仿真，計(jì)算當(dāng)前彎曲半徑下的結(jié)果，并將每次的兩個結(jié)果返回值記錄在數(shù)組IL和lamda中。整個流程遵循本文在前面的動圖，實(shí)現(xiàn)對于不同彎曲半徑下波導(dǎo)插入損耗的計(jì)算，結(jié)尾處結(jié)果圖會直接彈出。這里再來看一下點(diǎn)擊運(yùn)行腳本后，仿真區(qū)的變化過程。
除了FDTD以外，對于MODE，DEVICE，INTERCONNECT，本文提到的規(guī)律也有效，幾個軟件之間模型結(jié)構(gòu)是可以直接ctrl+c，ctrl+v的，處理數(shù)據(jù)的方式，寫腳本的語法，也基本一致。在仿真更加復(fù)雜的目標(biāo)時，變量和監(jiān)視器繁多，搞清楚數(shù)據(jù)的傳遞方式會顯得更加重要。