Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Ing.Vítězslav Jeřábek, CSc NFS+NOS 2008 Profesionální software pro návrh optoelektronických součástek optoelektronických součástek.

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "Ing.Vítězslav Jeřábek, CSc NFS+NOS 2008 Profesionální software pro návrh optoelektronických součástek optoelektronických součástek."— Transkript prezentace:

1 Ing.Vítězslav Jeřábek, CSc NFS+NOS 2008 Profesionální software pro návrh optoelektronických součástek optoelektronických součástek

2 Základní pojmy  Fotonika – je interdisciplinární technický obor zabývající se generací, přenosem, modulací, zesilováním a detekcí záření, jehož základní jednotkou ( kvantem) je foton.  Základní oblasti fotoniky:  Geometrická optika – studuje jevy, kdy záření prochází předměty, nebo kolem předmětů, jejichž rozměry jsou mnohem větší, než je vlnová délka záření. ( odraz -reflexe, lom – refrakce záření) nebo kolem předmětů, jejichž rozměry jsou mnohem větší, než je vlnová délka záření. ( odraz -reflexe, lom – refrakce záření)  Vlnová optika – studuje jevy, kde se uplatňuje vlnová povaha záření, ale pro popis jevů vystačíme se skalární matematickou reprezentací. ( interference, difrakce-ohyb )

3 Základní pojmy  Elektromagnetická optika ( klasická optika )– zahrnuje geometrickou a vlnovou optiku jako limitní případ nebo aproximaci obecné elektromagnetické klasické teorie záření. Pro popis jevů využíváme vektorové reprezentace dvou vzájemně svázaných vlnění – elektrického a magnetického pole. Zahrnuje základní jevy integrované optiky ( absorpce, disperze, polarizace). Zahrnuje základní jevy integrované optiky ( absorpce, disperze, polarizace).  Kvantová optika – zahrnuje klasickou optiku jako aproximaci. Slouží pro popis interakce elektromagnetického vlnění s hmotou (generace a zesilování záření a.p.) Pro popis jevů využívá operátorové reprezentace ve vektorovém prostoru. Zahrnuje všechny jevy integrované optiky a optoelektroniky. Zahrnuje všechny jevy integrované optiky a optoelektroniky.

4 Základní pojmy Rozdělení oblastí fotoniky

5 Postup návrhu a realizace Přehled profesionálních sofwarových nástrojů pro návrh fotonických obvodů: pro návrh fotonických obvodů:  Návrh součástek – TCAD, R Soft, Optiwave a.p.  Návrh obvodů – OrCAD, AutoCAD, SCOPE a.p. Postup návrhu:  Vytvoření softwarového modelu součástky nebo subsystému  Simulace základních ověřovacích charakteristik a porovnání se zadáním. Pokud neodpovídá,úprava modelu.  Vytvoření laboratorního vzoru součástky nebo subsystému  Odměření charakteristik modelu a porovnání se zadáním.  Pokud neodpovídají zadání úprava a doplnění softwarového modelu a opakování všech kroků včetně vytvoření nového laboratorního vzoru

6 Softwarové produkty pro OE simulace Přehled programových balíků pro simulace subsystémů v integrované fotonice:  OrCAD (AutoCAD)– vychází z řešení soustav lineárních a linearizovatelných obvodových rovnic v časové a frekvenční oblasti. Modely optoelektronických aktivních prvků jsou vytvořením jejich elektrických modelů začleněny do obvodových rovnic subsystémů a řešeny jako elektrický lineární, nebo linearizovatelný obvod.

7 Metody softwarového obvodového návrhu Elektrický model optoelektronického MES FET přijímače (OEP) pracujícího s šířkou pásma 500 MHz.

8 Realizace OE přijímače Optoelektronický MES FET přijímač, realizovaný jako tenkovrstvý hybridní obvod

9 Softwarové produkty pro simulace ve fotonice Přehled základních programových balíků pro simulace prvků ve fotonice:  TCAD –založený na řešení celého souboru fyzikálních rovnic (Poissonova, kontinuity, Schrodingerova a.p.) metodami konečných prvků FE, konečných objemů FV a konečných diferencí FD. Služí knávrhu polovodičových OE součástek.  Beam PROP –založený na řešení vlnové rovnic diferenčními metodou konečných diferencí FD. Slouží k návrhu a simulaci vlastností pasivních optických součástek, kde u jevů nedochází k reflexím a rezonančním jevům  Full Wave - metoda založená na řešení vlnové rovnice v časové oblasti diferenčními metodou konečných diferencí po časových přírůstcích FDTD. Slouží k návrhu a simulaci pasivních a dynamických optických součástek, realizovaných na izotropních i anizotropních materiálech

10 Softwarové produkty pro simulace ve fotonice RSoft Design Group – 1990 založena, na Columbia University řešil BMP simulace, později přidány i simulace aktivních komponent a systémů Softwarová řešení pro oblasti :  Optických komunikací – návrh, optimalizaci a plánování plánování  Optoelektronické součástky – návrhový nástroj pro pasivní a aktivní optoelektronické součástky pasivní a aktivní optoelektronické součástky  Výroba polovodičů – modelování elektromagnetického pole využitelné v metrologii a litografii

11 - teorie Program BMP - teorie Metoda aproximace pole – aproximaci exaktního řešení skalární Helmholtzovy rovnice pro monochro- matickou vlnu numerickým řešením soustavy aproximujících rovnic Metoda aproximace pole – aproximaci exaktního řešení skalární Helmholtzovy rovnice pro monochro- matickou vlnu numerickým řešením soustavy aproximujících rovnic

12 - teorie Program BMP - teorie Exaktní řešení skalární Helmholtzovy rovnice – předpokládejme řešení ve tvaru: kde proměnnou  x,y,z) lze vyjádřit jako reálnou funkci tří proměnných pro pomalu se měnící pole : za těchto předpokladů:

13 - teorie Program BMP - teorie Předpoklady platnosti skalárního lineárního řešení  Jediná osa šíření vlnění je osa Z  Obecně lze vlnové číslo k vyjádřit funkcí k (x,y,z), kde n(x,y,z) je prostorové rozdělení indexu lomu a k o je vlnové číslo ve volném prostoru kde n s pruhem je střední index lomu a k o je vlnové číslo ve volném prostoru, které můžeme vyjádřit  Střední změny fáze lze v celém objemu vyjádřit vlnovým číslem

14 - teorie Program BMP - teorie Odvození aproximující rovnice pro H. rovnici- provedeme odvození exaktní formy rovnice H. s proměnnou u(x,y,z) u(x,y,z) se mění podle osy z dostatečně pomalu, pak můžeme druhou derivaci podle z zanedbat. Rovnice pak má tvar : Předpokládejme, že proměnná u(x,y,z) se mění podle osy z dostatečně pomalu, pak můžeme druhou derivaci podle z zanedbat. Rovnice pak má tvar : Jde o parciální diferenciální rovnici parabolického typu

15 - teorie Program BMP - teorie Integrace – výhody a nevýhody  Řešení upravené H. rovnice lze provést jednoduchou integrací a ne iterací. To redukuje dobu výpočtu  Počet hodnot,které počítáme může být vzhledem k pomalu se měnícímu průběhu pole ve směru osy z menší ( hrubější rast)  Pole se musí šířit primárně ve směru osy z  Rychlost změny amplitudy pole a jeho fáze ve směru osy z je omezena  Eliminací druhé derivace nemohou být přesně modelovány úlohy, kde významným prvkem je – reflexe a zpětné šíření

16 Metoda výpočtu používající diferenční rovnici danou Crank-Nicholsnovým schématem (metoda konečných diferemcí-FD): kde  reprezentuje standardní diferenciální operátor druhého řádu daný vztahem a platí Program BMP - teorie

17 Metoda předpokládá:  Pole je dáno v diskrétních bodech v rovinách xy, které jsou kolmé na osu šíření vlnění z.  Pole mezi body n a n+1 lze pak určit pomocí Crank- Nicholsnova schématu  Tuto rovnici lze po dosazení vztahů pro  a z přepsat do třírozměrné matice:

18 Program BMP - využití Metoda BMP je využitelná při návrhu širokého spektra pasivních součástek integrované a vláknové optiky:  Návrh optických planárních vlnovodů a HIO  WDM a DWDM rozbočnice  Optické spinače a vazební členy  Modulátory Mach-Zehenderova typu  Multimódové interferenční prvky  Pasivní výkonové rozbočnice 1xN, NxN  Návrh prvků s optickými vlákny  Návrh optických mřížek a senzorů

19 Program BMP - simulace Příklad pasivní planární interferenční výkonové optické rozbočnice řešené BMP Prostorové rozložení výkonu optického pole Topologie rozbočnice

20 Program BMP - simulace Charakteristiky pasivní planární interferenční Charakteristiky pasivní planární interferenční výkonové optické rozbočnice řešené BMP výkonové optické rozbočnice řešené BMP

21 Program BMP - simulace Charakteristiky 3D pasivní planární interferenční Charakteristiky 3D pasivní planární interferenční výkonové optické rozbočnice řešené BMP výkonové optické rozbočnice řešené BMP

22 Program BMP - simulace Příklad pasivní planárního interferenční struktury Mach-Zehenderova interferometru řešené BMP Topologie struktury Prostorové rozložení indexu lomu

23 Program BMP - simulace Charakteristiky pasivního planární struktury Charakteristiky pasivního planární struktury Mach- Zehenderova interferometru řešené BMP Mach- Zehenderova interferometru řešené BMP

24 Program BMP - simulace Charakteristiky pasivního planární struktury Charakteristiky pasivního planární struktury Mach- Zehenderova interferometru řešené BMP Mach- Zehenderova interferometru řešené BMP

25 Program FULL WAVE - teorie Metoda výpočtu používá techniku finite difference time domain FDTD, založené na rigorózním diskrétním řešení šesti Maxwellových rovnic Dvě z těchto rovnic lze psát:

26 Program FULL WAVE - teorie Metoda řeší Maxwellovy rovnice tak, že je nejdříve rozdělí na diskrétní středové přírůstky v čase a prostoru a potom numericky řeší. Nejznámější je metoda nazvaná Yeeova, která vypočítává hodnoty E a H souřadnic ve středu zvolené mřížky  x  y  z. Čas je posunován po diskrétních krocích  t. Hodnoty jsou pak prokládány ve všech třech směrech. v čase a prostoru a potom numericky řeší. Nejznámější je metoda nazvaná Yeeova, která vypočítává hodnoty E a H souřadnic ve středu zvolené mřížky  x  y  z. Čas je posunován po diskrétních krocích  t. Hodnoty jsou pak prokládány ve všech třech směrech. Časové přírůstky pro výpočet E jsou: Časové přírůstky pro výpočet H jsou: kde n reprezentuje krok počítače

27 Program FULL WAVE - teorie Yeeova cela, kde pole H je počítáno v bodech posunutých o polovinu stupnice mřížky vůči mřížce pole E

28 Program FULL WAVE - teorie Dvě ze šesti diferenčních rovnic využívaných při výpočtu:

29 Program FULL WAVE - využití Metoda FULL WAVE je využitelná při návrhu širokého spektra pasivních, dynamických a nanofotonických součástek integrované a vláknové optiky: vláknové optiky:  Kruhové rezonátory  Mřížkové a další difrakční struktůry  Fotonické kvantové součástky  Senzorové součástky  Nano a mikro-litografie  Metrologie

30 Program FULL WAVE - simulace Průběh přechodového děje a ustálený stav v rozložení pole optického kruhového planárního rezonátoru Topologie kruhového rezonátoru vázaného na dva planární vlnovody Prostorové rozložení indexu lomu rezonátoru

31 Další programy RSoft Přehled dalších balíků pro součástkový návrh firmy RSoft:  Grating MOD –optické mřížky, multiplexing- demultiplexing, Add-Drop filtry, ekvalizace zisku OZ, vlnové konvertory a.p.  MOST- optimalizační program pro všechny základní typy součástkových programů RSoft  LaserMOD-optický návrh F-P, DFB, VCSEL laserů a modulátorů a.p.  DiffractMOD-vlnovodné rezonanční mřížky, difrakční optické elementy, vlnovodné filtry, dielektr. povlaky a.p.

32 Další programy RSoft Přehled dalších balíků pro optický obvodový návrh firmy RSoft:  OptSimm – CAD pro jednovidové optické systémy- DWDM/CWDM, FTTx/PON, OTDM/OCDMA, CATV Digital/Analog a.p.  ModeSYS – CAD pro návrh multividových optických systémůa prvků – vazba vlákno/laser, vlákno, vlákno/fotodetektor, multplexování, módová a chromatická disperze, ISI, signálová spektra, BER a.p.

33 Metoda Mode SYS - simulace Modelování elektronické kompenzace optické vidové diperze využívající programu ModeSYS:

34 Literatura [ 1 ] A.Kuchar, M.Khodl:Optické systémy pro přenos informace, KH servis, Praha, 1995 [ 15 ] A.E.Willner: IEEE Spectrum, April 1997, p [ 16 ]P.Toliver, I.Glesk at all.: IEEE J.of Lightewave Technology, vol.16, No. 12, 1998, p [ 17 ]H.Nishihara at all.: Optical Integrated Circuits, McGraw-Hill, 1989 [ 18 J.Hansryd. P.A.Anderson: IEEE LEOS Newsletter, vol.16, N 4, 2002,p [ 19 ]T.Hashimoto at all.: IEEE J.of Lightewave Technology, vol.16, No. 7, 1998, p


Stáhnout ppt "Ing.Vítězslav Jeřábek, CSc NFS+NOS 2008 Profesionální software pro návrh optoelektronických součástek optoelektronických součástek."

Podobné prezentace


Reklamy Google