本文基于现有的硅波导建模示例，该波导通过反向偏置的pn结进行相位调制，并由铝共面传输线驱动。我们的目标是找到具有最佳性能指标的设计，特别是相位偏移、损耗和速度失配作为选定输入、施加的掺杂和电极几何形状的函数。为此，我们将各个组件级别的仿真（包括电荷、光学和射频建模）整合到optiSLang中。在optiSLang中，我们创建了设计的元模型，并对大量输入进行优化，以找到最佳设计。还可以将INTERCONNECT添加到optiSLang中，以进一步评估所选设计的误码率（BER）
第 1 步
此步提供了运行各个独立仿真的快速说明。这包括CHARGE、MODE、HFSS和INTERCONNECT项目文件。有关Lumerical中器件组件级和电路级分析的详细说明，请参考原始的TravelingWaveModulator示例。
相关链接：https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/360042328774-Traveling-Wave-Mach-Zehnder-Modulator
第 2 步
optiSLang优化文件由三个主要模块组成。首先是Parametric求解器系统，它将各个仿真相互关联，这是创建元模型所必需的。这是将工程文件和相应的脚本文件加载到每个模块中的位置，并识别输入和响应。
之后，将敏感度向导应用于系统以创建元模型模块（此处称为AMOP）。运行此模块将运行其设置中指定的组件级仿真，并获取相应输入的结果。
第 3 步
最后，使用优化向导来根据选定的输入找到最佳结果。这依赖于已创建的元模型，因此能够快速在广泛的输入范围内找到最佳设计。此处对应的模块命名为Evolutionary Algorithm。
下文附录中提供了有关在optiSLang中使用项目文件和处理提示的其他提示
第 1 步：组件级模拟
CHARGE、MODE、HFSS和INTERCONNECT
1.打开并运行文件tw_modulator_DEVICE_par.ldev。仿真计算并导出波导上的电荷分布作为偏置电压的函数。模型对象设置为包含和应用输入CHARGE参数。这是optiSLang读取输入并在后续步骤中应用它们所必需的。
2.打开并运行文件tw_modulator_optical_MODE.lms。模型对象针对loss、group index和effective等结果进行设置，以便optiSLang访问。
3.Simulation选项卡，然后单击Analyze All。该文件用于计算传输线的RF属性，包括阻抗、有效指数和损耗。运行后，可以在RF传输线>传输线（Driven Modal）>Results的Object tree中访问和可视化结果。这些稍后也被optiSLang使用。
第 2 步：optiSLang-创建元模型
1.打开文件TWMZM_optimization.opf。如果收到有关查找文件的提示，您可以选择自动重新定位的选项（更多信息请参阅附录）。这是一个优化文件，它使用来自组件级仿真（CHARGE、MODE和HFSS）的输入参数来创建初始样本集（元模型），然后对结果进行广泛优化和可视化。
2.在optiSLang中加载脚本tw_modulator_DEVICE_cac.lsf。为此，请双击AMOP模块中的CHARGE。如果收到有关引用值的提示，请选择第一个选项（更多信息见附录）。在设置选项卡中，单击Change settings并在Custom script部分中选择脚本文件。该脚本已经设置为在optiSLang使用时计算板电阻和结电容（不需要运行该文件）。该脚本遵循特定模板，以便使用optiSLang，如使用参数更新模型部分所述。
3.在optiSLang中加载脚本tw_modulator_optical_MODE_par.lsf，该脚本设置为计算波导的光学特性与电压的函数关系。对于与步骤2类似的操作，请在AMOP模块的FDE设置中选择脚本。
4.双击AMOP模块本身。这是创建的元模型采样器，用于指定优化参数、标准和样本数等设置。
5.返回Scenery，右键单击AMOP并选择Show post processing（显示后期处理）。该文件已经包含此元模型的结果，并且可视化显示了针对指定输入的损失、n和p掺杂等结果。这是下一步的基础，允许对广泛的输入进行快速评估。
元模型优化侧重于三个品质因数：速度失配最小化、损耗最小化和增加电压相移（最小化Vpi/Lpi）。这些在Criteria选项卡：
优化是对波导n和p掺入物质的掺杂值及其位置（CHARGE）以及电极间隙和宽度（HFSS）进行的：
在模块的Parameter选项卡中选中这些输入项。
找到适当数量的样本很重要。组件级仿真的运行次数与Adaption选项卡中指定的次数相同。增加次数可以提高达到模型良好表示的概率，同时会使完成所需的时间加长。您可以通过选中’show advanced setting’按钮来设置采样选项。对于这个项目，我们选择了高级拉丁超立方体采样选项，其中包含60个初始样本，局部CoP（预后系数）的重要性和优化标准之间有70-30的分配。我们还选择了每次迭代12个样本，至少进行6次迭代来生成元模型。运行后，每个设计的单独结果都会在Result designs选项卡（如下）中报告，并生成元模型。
在后处理结果（步骤2.3）中，模型质量在CoP矩阵中报告。每个输入的总有效性以红色报告。单击这些值也会更新3D表面图，表示输出对指定输入的依赖性。下面以n和p掺杂值的函数形式Vpi_Lpi为例：
第 3 步：optiSLang-优化和最佳设计
1.双击Evolutionary Algorithm模块。为此模块设置了包括优化方法、最大样本数和标准在内的设置。
2.返回Scenery，右键单击该模块并选择Show post processing。所有单个设计的概览都显示在Pareto图（2D或3D）中。可以在此处选择具有input值的最佳设计。
在这里，我们的目标是实现相移、损耗和速度失配的最佳输出。在后处理页面中，您可以从Visuals部分拖动3DCloud图，以获得这三个品质因数的所有设计的概览。最好的设计是位于绘图边缘的所有点，也称为帕累托边界。为了能够更好地可视化这些设计，请点击Select best designs（s），点击Invert selection，然后在绘图中右键单击并选择deactivate：
如前所述，有几种设计被报告为最好的，因为品质因数之间不可避免地会有妥协。根据模型要求或优化优先级，最终选择可能会有所不同。您可以单击任何点，这将更新相应输入值和结果的绘图：
例如，在这里，我们可以看到掺杂浓度、偏移量和电极特性的精确值，以获得所选最佳设计的结果。
可以通过在参数求解器系统中包含INTERCONNECT来进一步分析，以获得BER。与初始设计相比，此步骤中的值可用于更新模型并监控BER的降低。有关此内容的详细说明，请参阅“进一步演示模型”部分。
运行项目：目前在optiSLang中，给定设置的元模型和优化结果存储在项目文件中。要应用您所做的任何更改并获得新的优化结果，请单击位于顶部的run按钮。
使用新的输入参数：CHARGE和FDE中的输入在模型对象中定义，以便optiSLang访问。要在优化中使用新输入，请确保在model对象中定义它们。然后，您需要将它们作为Parameters添加到其AMOP模块中（将输入从Inputs列拖到左侧的Parameter列）。
针对其他结果进行优化：为此，请确保可以从CHARGE（在脚本tw_modulator_DEVICE_cac.lsf中定义）和FDE（在模型对象和脚本tw_modulator_optical_MODE_par.lsf中定义）访问品质因数，并将结果用作optiSLang中的响应（通过将它们从Outputs部分拖动到Responses）。然后，使用感兴趣的品质因数更新步骤2和3中的优化标准（AMOP和进化算法设置）。
更新脚本文件：在这里，脚本文件用于后处理（例如计算电容和电阻）和公开结果（例如Vpi_Lpi）。更新文件时，请务必遵循现有模板。这些文件由三个功能组成;前两个定义optiSLang的结果和输入。第三个函数可用于后处理，通过将计算结果分配给第一个函数中定义的输出来返回计算结果。
参数求解器系统中包含的INTERCONNECT提供了一个单独的optiSLang项目文件，可以计算调制器的BER。从CHARGE、MODE和HFSS中收集与波导、光调制器和行波电极相关的参数，以创建紧凑的模型。可以使用步骤3中找到的值更新输入，以监控此品质因数的改进。
1.打开tw_modulator_INTC_eye.icp并确保文件已运行。
2.打开TWMZM_single_run.opf。双击Parametric System并在Parameter选项卡中为每个输入指定值。
3.运行项目。包括BER在内的结果可以在Parametric系统的Result designs选项卡中访问。
相关出版物
HaoXuetal.,"DemonstrationandCharacterizationofHigh-SpeedSiliconDepletion-ModeMach–ZehnderModulators",IEEEJournalofSelectedTopicsinQuantumElectronics,Vol.20,No.4(2014)