УДК 517: 519.6: 535+537.8: 621.37

PACS: 02.30.Uu, 02.30.Zz, 02.50.Ey, 03.65.Db, 03.65.Nk, 42.25.Fx, 42.82.-m

 

 Использование параллельных процедур для ускорения расчетов электромагнитного поля лазерного излучения, рассеянного в интегрально-оптическом волноводе с трехмерными неоднородностями

 

А. А. Егоров,¹ А. В. Ставцев²

¹ Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, Москва

² Российский университет дружбы народов, Факультет физико-математических и естественных наук, Москва

 

Получена 22 февраля 2012 г.

 

Аннотация. Статья посвящена разработке методов и алгоритмов высокоэффективного численного решения актуальных задач векторного волноводного трехмерного рассеяния, требующих больших вычислительных ресурсов и больших ресурсов памяти. Для примера рассмотрена задача рассеяния собственных мод лазерного излучения на 3D-неоднородностях сред трехслойного интегрально-оптического волновода. Полученное ранее теоретическое решение данной электродинамической проблемы именно в интегральной форме позволило максимально эффективно реализовать численное решение поставленной задачи. С этой целью мы осуществили параллельную реализацию программного модуля для вычисления поля излучения вне волновода в двух видах. Использование методов параллельного программирования позволило нам достичь значительного увеличения скорости расчетов. В статье приведены: схема организации вычислений в случае N вычислительных узлов, с одним потоком на каждом узле; схема многопотоковой версии на базе одного компьютера с многоядерным процессором. Для реализации параллельной версии алгоритма программы расчета амплитуды напряженности электромагнитного поля вне волновода мы сделали реализацию программы на языке С++ с использованием библиотеки параллельного программирования MPICH. Использование методов параллельного программирования позволило нам достичь значительного увеличения скорости расчетов.

Ключевые слова: оптический волновод, направляемые и излучательные моды, дисперсионное соотношение, трехмерные нерегулярности, волноводное рассеяние, численное моделирование, компьютерный эксперимент, FDTD-метод, параллельное программирование, кластер, расчеты в многопотоковом режиме.

Abstract. Paper is devoted to developing methods and algorithms for high-performance numerical solution of topical problems of vector waveguide three-dimensional scattering, requiring large computational resources and more memory. As an example, we consider the scattering problem of modes of the laser radiation on the 3D-inhomogeneities of the medium of three-layer integrated-optical waveguide. Previously obtained theoretical solution of the electrodynamic problem in integral form permits effectively implement the numerical solution of the problem. To this end, we implemented a parallel realization of the software module for the calculation of the radiation field outside the waveguide in two forms. Using the methods of parallel programming has allowed us to achieve a significant increase in computation speed. The paper presents: the scheme algorithms in the case of N compute nodes, with one thread on each node; an organizational chart of calculations in a multithreaded mode on basis of one computer with the multinuclear processor. To implement the parallel version of the program algorithm for calculating the amplitude of electromagnetic field outside the waveguide, we realized the program in C++ using the library for parallel programming MPICH. Using of the methods of parallel programming has allowed us to achieve a significant increase in the rate of calculations.

Keywords: optical waveguide, guided and radiation modes, dispersion relation, three-dimensional irregularities, waveguide scattering, numerical simulation, computer experiment, FDTD-method, parallel programming, cluster, calculations in the multithreaded mode.