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基于FDTD二维光子晶体器件设计软件的开发图文精
第23卷第6期计算机应用与软件
Vol23,No.6
2006年6月ComputerApplicationsandSoftwareJun.2006
基于FDTD二维光子晶体器件设计软件的开发
彭小舟张冶金杨四刚陆洋陈向飞谢世钟
(清华大学电子工程系北京100084
收稿日期:
2004-08-31。
基金项目:
国家重点基础研究规划973项目(2003CB314907。
彭小舟,硕士生,主研领域:
光子晶体平板类与
光纤类器件的研究。
摘要介绍了一个基于时域有限差分法(FDTD的二维光子晶体器件设计软件PCCAD,所用的核心算法是时域有限差分法。
与同类FDTD商业软件相比,特点在于其具有多种光子晶体结构编辑模板,多种点源、线源,先进的边界吸收技术及多种参数优化扫描等功能。
快速傅里叶变换及Pade算法在软件设计中的应用使模拟更加精确、快速。
软件适用于各种平面光子晶体的仿真设计,探索新的器件结构。
最后,利用此软件设计了直波导、T型波导等二维平面光子晶体器件。
关键词时域有限差分法(FDTD光子晶体设计软件
THEDEVELOPMENTOF2DPHOTONICCRYSTALSDEVICE
DESIGNSOFTWAREBASEDONFDTD
PengXiaozhouZhangYejinYangSigangLuYangChenXiangfeiXieShizhong
(TheElectronicsEngineeringDepartment,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China
AbstractA2DphotoniccrystalsdevicedesignsoftwarePCCAD,whichisbasedonfinitedifferencetimedomainmethod(FDTD,isintroducedinthispaper.ThekeyalgorithmusedinthissoftwareisFDTD.ComparedwiththeexistingcommercialFDTDapplications,PCCAD
hasthefollowingadvantage:
plentyofphotoniccrystalsdesigntemplates,pointandlineincidentwavesource,advancedabsorbboundconditionandthefactionofparameteroptimizescanning.TheapplicationofFFTandPadealgorithmbringmoreprecisionandsavemuchtimefromsimulating.Thissoftwareissuitablefor2Dphotoniccrystalsdevicedesignorlookingfornewstructure.Atthelastofthispaper,sometypesofphotoniccrystalswaveguideisdesignedusingthissoftware.KeywordsFDTDPhotoniccrystalDesignsoftware
0引言
二维平板光子晶体是目前光子晶体研究中的一个重要分支,目前,有关二维平板光子晶体的理论已经基本成熟[1~4],但是设计和工艺还处在起步阶段,相关的设计软件还很不成熟。
二维平板光子晶体结构复杂,实验制作难度大费用高,先期的理论设计是必须的,一个好的设计软件显得尤为重要。
光子晶体的理论分析方法主要有平面波展开法[1]
时域有限差分法FDTD(FiniteDifferenceTimeDomain[5,6],多极化方法[7]等。
目前,FDTD是用来模拟电磁波在光波导中传播的数值算法中应用最为广泛的一种,FDTD由于具有适合于各种波导结构瞬态分析且结果精确而被广泛地应用。
代表性的软件有美国的Rsoft,澳大利亚VPI的Apollo,美国的Optiwave。
这些软件虽然功能强大,但是在结构编辑上有些不方便之处,优化扫描功能也欠缺。
本工作开发的PCCAD二维光子晶体器件设计开发系统由两个相互独立的模块组成,采用可视化的结构描述及多线程程序实现技术,在其关键算法FDTD中采用了目前吸收性能最好的边界条件单轴完美匹配层(UPML,输入源的引入采用改进的总场反射场连接边界。
在模拟时能实时的对当前电磁场的分布进行显示,并且设置了功能强大的参数优化扫描功能,能,进行扫描,得到损耗曲线,以进行优化设计。
另外,可以在计算
区域内的任意位置设置观察点,对观察点采集的电磁场数值的处理引入了快速傅立叶变换(FFT以及Pade算法,能够快速精确地分析器件的频率响应特性,得到响应峰值及品质因子(Q值。
1PCCAD系统的结构与设计
图1为PCCAD的总体结构图,软件由编辑和仿真分析两个部分组成。
编辑部分用来编辑一个二维平板光子晶体结构;模拟部分用来对光(电磁波在光子晶体里的传播情况进行FDTD
图1PCCAD的总体结构
2
计算机应用与软件2006年
模拟,并以动画的形式将当前电磁波的某个分量在光子晶体中分布的情况显示出来,模拟结束后,系统将用采集的数据对光子晶体的特性进行分析。
PCCAD的两大部分是相对独立的,编辑部分提供了强大的二维平板光子晶体的编辑功能,目前PCCAD的计算仅限于二维,也就是在Z方向上所有的参数都是均匀的,编辑部分可以非常方便地加入各种形状的光波导结构或者光子晶体阵列结构,编辑完成后,通过文件的形式将结构与仿真参数传递给第二大部分仿真与优化扫描部分。
第二部分对传递过来的文件进行分析,获取一个折射率的分布。
因为FDTD算法只跟折射率的分布相关。
这样分成两部分的设计给以后程序的扩展带来了很多方便。
程序的主要部分FDTD算法集成在第二部分中,FDTD算法采用了具有良好的吸收效果的边界UPML边界以及总场反射场输入光源的设置。
在仿真过程中,软件可以将某几点的电磁场随时间变化的值采集下来,可以绘制观察点电磁场大小随时间变化的情况,还可以将采集的数据进行快速傅立叶变换,以得到观察点的频谱图。
2PCCAD功能概述
PCCAD采用VC编程,40000行源代码。
运行环境要求PIII600以上PC机,VGA显示器,Windows环境,256M内存,1G以上空闲硬盘存放软件和仿真数据。
主界面如图2
所示。
图2PCCAD主界面
2.1波导编辑工具
一个方便精确的编辑工具对于一个设计软件来说是至关重要的,二维平板光子晶体器件设计软件也不例外。
PCEdit可以方便地设置背景晶体的长宽,实部与虚部的折射率。
PCEdit可以用鼠标拖曳完成各种光波导与光子晶体结构的初步绘制,可以右键弹出对话框对每个光波导的属性进行更改,在绘制完成后,还可以对波导的边界关键点进行拖动改变大小和形状。
因为此编辑工具主要是用来设计一个二维的平板光子晶体,最重要的功能是可以很方便地编辑一个二维的光波导阵列。
可以任意的更改一个阵列的行数,列数,阵列网格的夹角,倾斜角。
2.2仿真电磁场在光波导或者光子晶体阵列里的
传播
FDTD法是一种时域方法,该方法直接把含有时间变量的Maxwell方程在Yee网格空间转换为差分方程。
利用FDTD方法,对二维平板光子晶体设计的过程是首先给定一个具体的平板光子晶体结构,设定所需的输入源,然后进行FDTD逐点计算
(场随时间的分布对于二维平板光子晶体的设计是相当关键的,也是进行一系列分析与优化扫描的基础。
FDTD算法对具体结构的无关性使得在仿真部分只要获得从编辑部分传过来的的折射率分布及一些具体的FDTD参数,如剖分网格数,离散时间步长等就能实现电磁场的模拟传播。
对于FDTD算法,最关键的两个因素是吸收边界条件与输入光源。
本软件采用的指数形式差分的UPML吸收层,可以实现<0.001%的反射率。
对于输入光源部分,考虑到设计的需要,光源可以定义上下左右四个传播方向,能够实现连续激励,高斯脉冲激励,升余弦调制激励三种形式,在下面可以看出,高斯脉冲激励在进行光谱扫描时是相当关键的。
本软件采用改进的总场反射场连接边界引入输入源,可以实现总场反射场的完全分开。
在仿真电磁场传播的过程中,能够实时的直观的显示当前电磁场的数值,更容易使人了解一个结构的电磁波传输情况与图3电磁场在二维平板光子晶体直波导中传播的示意图性能优劣。
本软件对电磁场显示图案的渲染采用的是目前在各类3D游戏中广泛采用的图形接口OpenGL,OpenGL可以充分利用显卡的运算能力进行电
磁场图形的绘制,大大减轻CPU的负担,从而能实现更加快速的仿真,图3所示为正在进行仿真的某一时刻在二维平板光子晶体直波导中电磁场传播的示意图。
2.3参数的优化扫描
二维平板光子晶体的结构参数的确定往往是通过带隙计算
后初步设计的,最初结构还不能完全满足损耗等方面的要求,因此还要进行参数优化,这是设计的难点所在。
因为优化的规律很难寻找,需要大量的计算。
本软件可以对背景折射率,晶格纵向横向周期,介质折射率等多种结构和材料参数进行扫描,能设置6种类型的观察点对电磁场在指定的步数内进行积分以获得损耗曲线。
根据损耗曲线实现对几个重要的结构参数及材料参数的优化,得到较为满意的结果。
在二维平板圆孔类光子晶体器件的设计中,一个很重要的
参数就是圆孔的半径。
图4所示为初步设计的r=250nm,a=1000nm两个正方晶格交错重叠的二维平板光子晶体T型波导器件的电磁场传播示意图,其激励波源为高斯分布的真空中波长为3000nm的连续光源。
从图中可以看出,虽然基本出现T型波导的传输图样,但是并不是十分理想。
为了得到更好的传输效果,在T型波导的某个出口(下边的出口设置一个观察点,扫描因子从095到105,步长001,得到观察点处的积分曲线如图5所示,从曲线上可以看出,扫描因子Factor=1.02时,达到最佳的传输效果,此时r=250*1.02=255(nm,重新设置T型波导的结构参数r=255nm,a=1000nm进行传输仿真,图6为电磁场传播的示意图,从图中可以看出,T波导的传输效果获得了较为明显的改变。
图4r=250nm,a=1000nmT型波导传输示意图
图5扫描积分曲线
(页
第6期
王俊杰等:
一种DCT域的音频信息隐藏方法35
从图中可以看出,本算法能很好地恢复出保密语音。
通过试听,嵌入隐藏信息后的混合语音与原始公开语音几乎没有什么差别,因而达到了隐藏信息透明的要求。
6.2鲁棒性实验
(1低通滤波
将混合语音经过2.5kHz的低通滤波器,此时提取出的隐藏信息和原始的隐藏信息的归一化相关系数为0.94,仍然保持了很高的恢复率。
(2抗压缩试验
将混合语音进行mp3音频压缩,压缩至128kb/s,此时提取出的隐藏信息和原始的隐藏信息的归一化相关系数为0.92,这表明本文算法具有较好的抗压缩性能。
7结论
信息隐藏为保密通信提供了一种崭新的方法,本文提出的算法可以将一种保密语音不可察觉地隐藏到一种可以公开的语音信号中,从而可以通过公用信道,安全的将保密语音传送到通信的另一端。
由于在嵌入的算法中使用了量化处理过程,这使得在提取隐藏信息时不需要原始的载体语音,这将大大减少网络传输的数据量,从而为语音保密通信提供了一种好的途径。
参考文献
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34~36.
(上接第2页
图6优化后的T波导传输示意图
2.4高斯脉冲频率扫描
二维平板光子晶体器件中一个相当重要的器件就是腔体,利用光子晶体可以实现高Q值谐振腔(Q值可达100000,能制作带宽极窄的滤波器,复用解复用及上下复用解复用器。
在设
计腔体的时候,获得腔体的频率响应是很关键的,采用上节中的输入波长损耗扫描曲线能为腔体的设计提供一定的信息,但是其精度有限,达到理想的精度所需要的扫描时间将是不可想象的。
本软件提供了另外一种比较有效的方法,如图7(a所示,利用具有一定频谱宽度的脉冲源(比如高斯脉冲激励腔体,对腔体中某一点的电磁场数值进行采样,然后再进行快速傅
,图7(c,
从而能够确定腔体的频率响应特性,设计出合乎要求的腔体。
图7(b给出的是峰值响应频率处的腔体滤波效应,效率达到98%,可用来制作高质量光滤波器件。
图7PCCAD对于腔体的设计,a高斯脉冲激励,b峰值频率处腔体滤波效应,c出口处激励响应。
3结论
本文介绍了一个基于FDTD算法,适于二维光子晶体器件仿真设计的软件PCCAD,该软件能对各种结构的二维平板
光子晶体进行精确的模拟。
其运算结果与目前流行的商用软件进行了比较对照,完全一致。
先进的计算方法,编辑技术,输入源技术及扫描优化功能使其更易于为设计者所应用。
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