ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН English Войти Подать статью
Журнал радиоэлектроники Электронный научный журнал · eISSN 1684-1719
2012, № 2 · МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ В ЗАДАЧАХ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

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

А.А. Егоров1, А.В. Ставцев2

1 Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, Москва, Россия
2 Российский университет дружбы народов, Факультет физико-математических и естественных наук, Москва, Россия
Полный текст (PDF) УДК 517: 519.6: 535+537.8: 621.37 EDN OXTLIJ

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.

  • направляемые и излучательные моды
  • guided and radiation modes
  • оптический волновод
  • дисперсионное соотношение
  • трехмерные нерегулярности
  • волноводное рассеяние
  • численное моделирование
  • компьютерный эксперимент
  • FDTD-метод
  • параллельное программирование
  • кластер
  • расчеты в многопотоковом режиме
Abstract (in English)

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.

Для цитирования

Егоров А.А., Ставцев А.В. Использование параллельных процедур для ускорения расчетов электромагнитного поля лазерного излучения, рассеянного в интегрально-оптическом волноводе с трехмерными неоднородностями // Журнал радиоэлектроники. – 2012. – № 2.

Литература

  1. Егоров А.А., Ставцев А.В. Особенности разработки алгоритмов и программ для расчета основных характеристик нерегулярных интегрально-оптических волноводов // Вычислительные методы и программирование. 2010. 11, № 2. С. 31-39.
  2. Егоров А.А. Численное исследование характеристик лазерного излучения рассеянного в интегрально-оптическом волноводе с трехмерными неоднородностями // Оптика и спектроскопия. 2012. 112, № 2. С. 317-328.
  3. Егоров А.А. Теоретические, экспериментальные и численные методы исследования характеристик лазерного излучения рассеянного в интегрально-оптическом волноводе с трехмерными нерегулярностями // Квантовая Электроника. 2011. 41, № 7. С. 644-649.
  4. Taflove A., Hagness S.C. Computational electrodynamics: the finite difference time domain method, 2nd ed. London: Artech House, 2000.
  5. Хардиков В.В., Ярко Е.О., Просвирнин С.Л. Использование матриц передачи и псевдоспектрального метода во временной области для исследования дифракции света на планарных периодических структурах // Радиофизика и радиоастрономия. 2008. 13, № 2. 146-158.
  6. Хансперджер Р. Интегральная оптика: Теория и технология. - М.: Мир, 1985.
  7. Снайдер А., Лав Дж. Теория оптических волноводов. - М.: Радио и связь, 1987.
  8. Егоров А.А. Векторная теория рассеяния лазерного излучения в интегрально-оптическом волноводе с трехмерными нерегулярностями при наличии шума // Квантовая Электроника. 2004. 34, № 8. С. 744-754.
  9. Egorov A.A. Theory of laser radiation scattering in integrated optical waveguide with 3D-irregularities in presence of noise: vector consideration // Laser Physics Letters. 2004. 1, No. 12. С. 579-585.
  10. Егоров А.А. Теория волноводного рассеяния света в интегрально-оптическом волноводе при наличии шума // Изв. Вузов. Радиофизика. 2005. 48, № 1. С. 63-75.
  11. Егоров А.А., Ставцев А.В. Разработка и исследование комплекса программ для расчета основных характеристик интегрально-оптических волноводов в системе визуального программирования Delphi и С // Журнал Радиоэлектроники. 2009. № 8.
  12. Маркузе Д. Оптические волноводы. - М.: Мир. 1974.
  13. Унгер Х.Г. Планарные и волоконные оптические волноводы. - М.: Мир, 1980.
  14. Содха М.С., Гхатак А.К. Неоднородные оптические волноводы. - М.: Связь, 1980.
  15. Paulus M., Oliver J.F.M. A fully vectorial technique for scattering and propagation in three-dimensional stratified photonic structures // Optic. and QE. 2001. 33. С. 315-325.
  16. Егоров А.А., Ставцев А.В. Разработка методов и алгоритмов расчета основных характеристик трехмерных нерегулярных интегрально-оптических волноводов // Вестник РУДН. Серия Математика. Информатика. Физика. 2010. № 2 (2). С. 139-151.
  17. Егоров А.А., Ставцев А.В. Разработка комплекса программ для расчета основных характеристик трехмерных нерегулярных волноводов в пакете Borland Delphi версии 6.0 // Сб. докл. XII-й Науч. конфер. МГТУ "СТАНКИН". 14 - 15 МАЯ 2009 г. М.: МГТУ "СТАНКИН", С. 46-48.
  18. Егоров А.А., Ставцев А.В. Разработка методов и алгоритмов расчёта основных характеристик трёхмерных нерегулярных волноводов // Труды 52-й научной конференции МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук». Ч. VII., Т. 1. М.: МФТИ, 2009. С. 133-135.
  19. Егоров А.А., Ставцев А.В. Компьютерные методы исследования характеристик трехмерных нерегулярных волноводов // Тезисы докладов XVII-й Международной конференции «МАТЕМАТИКА. КОМПЬЮТЕР. ОБРАЗОВАНИЕ». Дубна, 25 - 30 января 2010 г. Москва-Ижевск: РХД, С. 113.
  20. Воеводин В.В., Воеводин Вл.В. Параллельные вычисления. - СПб.: БХВ-Петербург, 2002.
  21. <http://www.imamod.ru/~serge/arc/stud/Antonov_MPI_book.pdf>
  22. Ставцев А.В. Построение классификации многокомпонентных вычислительных систем // Вестник РУДН. Прикладная и компьютерная математика. 2005. № 5. С. 126-134.
  23. Страуструп Б. Язык программирования С. Специальное издание. - М.: Бином, 2004.
  24. Егоров А.А., Ставцев А.В. Параллельная реализация программного модуля для вычисления поля излучения вне волновода // Научная Сессия НИЯУ МИФИ-2012, г. Москва, 30 января - 4 февраля 2012 г., Конференция «Методы математической физики и математическое моделирование физических процессов». - М.: НИЯУ МИФИ, 2012, Т. 3, С. 141.
  25. Егоров А.А., Ловецкий К.П., Севастьянов А.Л., Севастьянов Л.А. Моделирование направляемых (собственных) мод и синтез тонкопленочной обобщенной волноводной линзы Люнеберга в нулевом векторном приближении // Квантовая Электроника. 2010. 40, № 9. С. 830-836.
  26. Egorov Alexandre, Sevastyanov Leonid. Propagation, transformation and scattering of the light in integrated-optical waveguides // SPIE Newsroom. DOI:10.1117/2.1201111.003860. 22 February 2012. pp. 1-3.
  27. Егоров А.А., Ловецкий К.П., Севастьянов Л.А., Хохлов А.А. Метод связанных волн расчета дифракционных тонкопленочных оптических структур. Учебное пособие. - М.: Издат. Российского университета дружбы народов, 2011. - 164 с.