rsoft软件简介-FullWave-BeamProePPT幻灯片课件.ppt

1、1Optiwave 软件及应用陈明阳2007.92第一章 绪论1. 学习内容 基于光束传播法，用于光波导器件设计和分析的一个软件2. 光器件数值模拟的意义 它为光器件研究提供一个低成本的试验空间和合理的实验方案； 通过数值模拟，可以进一步理解光波导的基本原理。3光束传播法(Beam Propagation Method，简写BPM) 光束传播法是目前光波导器件研究与设计领域最流行的方法之一，其基本思想是在给定初始场的前提下，一步一步地计算出各个传播截面上的场。 光束传播法最早是由M.D.Feit等人于1978年研究光场及大气激光束传播时提出的。最早的BPM是以快速傅里叶变换(Fast-Four

2、ier Transform，称FFT)为数学手段实现的，称为FFT-BPM。 D.Yevick等人于1989年提出了一种新方法有限差分光束传播法FD-BPM，用差分的方法将横截面上的场离散化。 FD-BPM还被广泛用于分析光在各种无源波导器件、具有二阶非线性效应的波导以及有源器件的传输。43. 学习重点 学习使用本软件； 掌握学习专业软件的方法； 学习将已有专业知识应用于波导设计的方法和技巧；54 注意事项 入手简单、精通较难 理论与实践相结合 注重结果分析65 RSOFT 软件综述 美国RSOFT设计集团公司是一家世界著名的光通信模拟设计和仿真软件开发商,也是世界上唯一一家提供一系列涵盖器件

3、、系统到网络层模拟设计软件服务的公司，产品广泛应用于光器件、光通信系统、宽带网中的城域网、长距离传输设备以及接入设备的设计与开发上。 世界上有近千家光通信生产企业、科研院所在使用RSOFT的软件从事设计和规划工作。RSOFT设计集团在软件的开发与销售上都取得了令人瞩目的成功,创下了多项世界第一。77 Rsoft 无源器件设计套装 BeamPROP ：基于光束传播法的光波导设计软件 FullWAVE ：基于时域有限差分法的光波导设计软件 BandSOLVE：光子晶体分析设计软件 DiffractMOD： 衍射光学结构器件分析设计软件 GratingMOD： 光栅分析设计软件 LaserMOD：L

4、aserMOD是用于仿真半导体激光器性能的模拟分析软件8BeamPROP是一个高度集成了是一个高度集成了计算机辅助设计计算机辅助设计和和模拟仿真模拟仿真的专业软件，专用于设计集成光学波导元件和的专业软件，专用于设计集成光学波导元件和光路。此软件由美国光路。此软件由美国RSOFT公司出品，公司出品，1994年年投入市场，被大学及产业公司的开发设计人员投入市场，被大学及产业公司的开发设计人员广泛使用。广泛使用。此软件使用先进的有限差分光束传播法此软件使用先进的有限差分光束传播法 (finite-difference beam propagation method, FD-BPM)来模拟分析光学器件

5、。用户界面友好，分来模拟分析光学器件。用户界面友好，分析和设计光学器件轻松方便。析和设计光学器件轻松方便。 9 其主程序为一套完善的用于设计光波导元其主程序为一套完善的用于设计光波导元件和光路件和光路CAD的设计系统，且可控制相关的设计系统，且可控制相关的模拟参数，如：数值参数、输入场以及的模拟参数，如：数值参数、输入场以及各种显示、分析功能选项。各种显示、分析功能选项。 另一程序为模拟程序，它可以在主程序内另一程序为模拟程序，它可以在主程序内或独立执行模拟分析工作，以图形方式显或独立执行模拟分析工作，以图形方式显示场的特性以及用户感兴趣的各种数值特示场的特性以及用户感兴趣的各种数值特性。性。

6、 10一一. CAD系统的功能特点：系统的功能特点： 1 变量表的设置给设计带来了很大的灵活变量表的设置给设计带来了很大的灵活性。性。 2 用户可编程功能适应于快速的参数变化。用户可编程功能适应于快速的参数变化。 3 2D结构包括：线性的、锥形的、曲线的、结构包括：线性的、锥形的、曲线的、Y形分支波导、透镜和多边形形分支波导、透镜和多边形 4 3D结构包括：光纤、通道结构包括：光纤、通道(矩形矩形)、扩散、扩散、脊型、多层波导、用户自定义形式脊型、多层波导、用户自定义形式 5 用户可以自定义：波导两端的位置、宽用户可以自定义：波导两端的位置、宽度、高度和沿传播轴方向的折射率度、高度和沿传播轴方

7、向的折射率 11 6 每个部件都有它自己的属性设置，通过点每个部件都有它自己的属性设置，通过点击鼠标右键可以得到相应的对话框。参数击鼠标右键可以得到相应的对话框。参数包括形状信息（锥形的，弯曲的，及其数包括形状信息（锥形的，弯曲的，及其数值）、光学特性（折射率类型和数值）。值）、光学特性（折射率类型和数值）。这种基于目标（面向对象）的输入模式非这种基于目标（面向对象）的输入模式非常自然和灵活。常自然和灵活。 7 波导部件的每个参数（如：位置坐标、波导部件的每个参数（如：位置坐标、宽度、折射率）能由算术表达式指定，包宽度、折射率）能由算术表达式指定，包括用户自定义变量，或者是一个常数。括用户自定

8、义变量，或者是一个常数。 8 当制图和设计完成时，波导光路输出，当制图和设计完成时，波导光路输出，作为掩模的模版。作为掩模的模版。12二二. BeamPROP的特点：的特点： 1在全三维快速计算中使用的是在全三维快速计算中使用的是ADI（alternating direction implicit）算法。）算法。 2 采用透明的边界条件。采用透明的边界条件。 3 通过多级的通过多级的PADE技术进行宽角度传播。技术进行宽角度传播。 4 边界配置进行动态选择边界配置进行动态选择 5 计算模式的传播常数和场计算模式的传播常数和场 6 自动的远场计算自动的远场计算 7 综合计算因电极或热效应产生的折

9、射率扰动。综合计算因电极或热效应产生的折射率扰动。 8 用于分析的用户自定义的光路径和监视器用于分析的用户自定义的光路径和监视器 9 集成的、实时的分析和图形显示集成的、实时的分析和图形显示 10 多种参数缺省值的智能选择多种参数缺省值的智能选择 11 用于优化设计的自动参数扫描用于优化设计的自动参数扫描 13(2) FullWAVE 是一个高度集成的应用于复杂的光电元件是一个高度集成的应用于复杂的光电元件模拟设计分析软件。模拟设计分析软件。 它使用有限时域差分分析法（它使用有限时域差分分析法（finite-difference time-domain, FDTD）分析一）分析一般光束传播法和

10、其他软件包所无法建模分般光束传播法和其他软件包所无法建模分析的光电元件，例如：光子带隙、环状共析的光电元件，例如：光子带隙、环状共振器等。振器等。 主控程序是主控程序是BeamPROP的完整的的完整的CAD 绘绘图系统图系统, 用来设计光波导元件和光路。用来设计光波导元件和光路。14功能及特点 1.可画任意晶体结构设计的绘图工具可画任意晶体结构设计的绘图工具 2.任意的段定位使结构绘图非常灵活任意的段定位使结构绘图非常灵活 3.使用使用BeamPROP的的CAD界面：特别为设计光界面：特别为设计光路设计的完整、用户界面友好的路设计的完整、用户界面友好的CAD系统系统 4.为灵活设计采取自然的、

11、基于目标的输入模式：为灵活设计采取自然的、基于目标的输入模式：用户可编程的快速参数变更用户可编程的快速参数变更 5.二维波导结构二维波导结构: 直线型的、锥型的、曲线型的、直线型的、锥型的、曲线型的、Y型分枝的、透镜、多边形的型分枝的、透镜、多边形的 6.三维波导结构三维波导结构 : 光纤、通道、扩散形的、脊形光纤、通道、扩散形的、脊形的，多层波导和用户自定义波导结构的，多层波导和用户自定义波导结构 7.用户自定义的锥形波的位置、宽度、高度和沿用户自定义的锥形波的位置、宽度、高度和沿传播轴方向的折射率传播轴方向的折射率 15 8.用户自定义折射率特性，转换为传播轴方向的用户自定义折射率特性，转

12、换为传播轴方向的折射率折射率 9.为生成掩模的多层波导绘图为生成掩模的多层波导绘图 10.自动生成掩模文件，格式有：自动生成掩模文件，格式有：Auto CAD的的DXF格式、格式、GDS-的的CAD格式格式 11 基本的波导元件象直线的、锥形的、基本的波导元件象直线的、锥形的、Y形分岔形分岔的波导切片容易在工具栏中选择，用鼠标即将其的波导切片容易在工具栏中选择，用鼠标即将其填加到绘图当中。填加到绘图当中。 12 位置坐标也可直接设定：设定绝对坐标值或位置坐标也可直接设定：设定绝对坐标值或通过设定与任何其他光波导器件的位移和角度。通过设定与任何其他光波导器件的位移和角度。 13 任何时候，一个或

13、几个组件可能被选择、移任何时候，一个或几个组件可能被选择、移动、比例放大或缩小、删除或重新插入。我们独动、比例放大或缩小、删除或重新插入。我们独特的设计方法来自于一个非常灵活的系统，在这特的设计方法来自于一个非常灵活的系统，在这里任何合理的愿望都可以实现，如：后置、空间里任何合理的愿望都可以实现，如：后置、空间变化等。变化等。16 14 每个部件的属性都可以通过点击鼠标的每个部件的属性都可以通过点击鼠标的右键来获得，参数包括形状信息如是锥形右键来获得，参数包括形状信息如是锥形还是曲线的，其类型和大小；光特性信息，还是曲线的，其类型和大小；光特性信息，诸如折射率类型和数值。这种基于目标设诸如折射

14、率类型和数值。这种基于目标设计的输入模式非常自然和灵活。每一个波计的输入模式非常自然和灵活。每一个波导组成部分的参数（如：位置坐标、宽度、导组成部分的参数（如：位置坐标、宽度、折射率）能由用户指定的算术表达式来定折射率）能由用户指定的算术表达式来定义，甚至可以是一个常数。义，甚至可以是一个常数。 15 当图层布局和设计完成时波导回路能运当图层布局和设计完成时波导回路能运行行AutoCAD 文件和文件和GDS-IICAD文件格式文件格式输出，以生成掩模模版。输出，以生成掩模模版。 17时域有限差分法特点时域有限差分法特点 FullWAVE使用有限差分时域分析方法使用有限差分时域分析方法（FDTD

15、）对任何光子部件严格解麦克斯韦）对任何光子部件严格解麦克斯韦方程，具有二维和三维模拟算法；方程，具有二维和三维模拟算法； PML边界条件边界条件 采用采用PML边界条件算法，提边界条件算法，提高计算效率；高计算效率； 可以计算色散、非线性材料中的传光可以计算色散、非线性材料中的传光18 （3）BandSOLVE BandSOLVE是目前世界上唯一一套商用是目前世界上唯一一套商用的光子晶体能带结构模拟分析设计软件。的光子晶体能带结构模拟分析设计软件。 可以对所有光子晶体部件的能带结构进行可以对所有光子晶体部件的能带结构进行自动的计算自动的计算,包括包括:二维或三维的光子晶体和二维或三维的光子晶体

16、和波导，二维或三维的腔体结构问题以及光波导，二维或三维的腔体结构问题以及光子晶体光纤。子晶体光纤。 19功能特点 任意结构的能带图任意结构的能带图 平面的或三维的光子晶体组件的能隙设计平面的或三维的光子晶体组件的能隙设计及设计优化及设计优化 腔体结构腔体结构/ 缺陷结构缺陷结构 常规的和有缺陷的光子晶体光纤设计常规的和有缺陷的光子晶体光纤设计 模式场的计算与显示模式场的计算与显示 20(4)DiffractMOD 是一个综合型设计工具软件。是一个综合型设计工具软件。 它应用于衍射光学结构领域，如衍射光学元件、它应用于衍射光学结构领域，如衍射光学元件、亚光波周期性结构及光子晶体。这一软件严格建亚

17、光波周期性结构及光子晶体。这一软件严格建立在立在耦合波分析技术耦合波分析技术上；上； 任意栅格结构和单晶格折射率特征结构的任意栅格结构和单晶格折射率特征结构的3D和和2D的图像都可以精确且清晰地显示出来。的图像都可以精确且清晰地显示出来。 除了非传导性物质，弥散的、有损耗的物质结构除了非传导性物质，弥散的、有损耗的物质结构可以使用外，它在金属系统也可以得到应用。可以使用外，它在金属系统也可以得到应用。21应用 1. 弥散光学元件弥散光学元件 2. 表面光刻和大折射率光栅表面光刻和大折射率光栅 3. 波长滤波器波长滤波器 4. 纳米平面印刷纳米平面印刷 5. 偏振敏感仪器偏振敏感仪器 6. 人造

18、绝缘镀膜人造绝缘镀膜 7. 光致电压系统光致电压系统 8. 三维显示三维显示 9. 激光空间通信激光空间通信 10. 光数据存储光数据存储 11. 光谱学光谱学 22 12. 微透阵列微透阵列 13. 光束分裂，整合，修整光束分裂，整合，修整 23(5)GratingMOD 是一种分析和综合处理在光纤和集成光波是一种分析和综合处理在光纤和集成光波导线路中复杂的光栅特性的设计工具。导线路中复杂的光栅特性的设计工具。 快速算法能处理任意光栅的二维或三维光快速算法能处理任意光栅的二维或三维光波导特性，波导特性， 这使得这使得GratingMOD成为成为Rsoft公司软件库的一个有效的补充。公司软件库

19、的一个有效的补充。 24分析对象分析对象 色散补偿色散补偿 复用复用/解复用解复用 上传上传/下载滤波器下载滤波器 光放大器中的增益平坦滤波器光放大器中的增益平坦滤波器 波长转换器波长转换器 锥形波导光栅锥形波导光栅 光栅助耦合器光栅助耦合器 多段光栅回路多段光栅回路 带相位偏移的光栅带相位偏移的光栅 表面凹凸与大折射率光栅表面凹凸与大折射率光栅 25(6) LaserMOD 是用于仿真半导体激光器性能的模拟分析是用于仿真半导体激光器性能的模拟分析软件。此软件以伊利诺斯大学所开发的著软件。此软件以伊利诺斯大学所开发的著名的名的Minilas-II 算法为基础。算法为基础。 LaserMOD通过

20、通过CAD制图和使用量化器件制图和使用量化器件几何结构的全耦合数值法则，求解光载波几何结构的全耦合数值法则，求解光载波传输，光学特性与载流子传输，光学特性与载流子-光子之间的交互光子之间的交互作用。作用。26 模式求解27282模场分布 基模LP012930 二阶模LP113132 LP023334 LP213536 波导耦合373839 场分布变化过程40 光开关4142开通43关断44454647第二章 常用CAD操作一. 软件使用示例1. 分支波导模拟48(1)创建新光路495051525354(2)绘制波导55 波导的绘制基本操作方法: 左键点击起点,松开后拖动鼠标,点击终点 左键点击

21、起点, 拖动鼠标,点击终点56(3)创建新变量57(4)设置波导参数585960616263(5)计算折射率分布6465(6)运行模拟程序666768(7)观察计算结果6970二. 菜单介绍71727374757677787980818283三 工具栏84新建打开保存85撤消上次做的修改,只能撤消一次修改复制(拷贝+粘贴)86水平方向翻转垂直方向翻转旋转87例: 绘制如图所示的对称波导88绘制弧形波导89选中并复制波导90移动波导91水平翻转波导92移动波导93刷新光路图打开图形文件打开数据浏览器打开CAD帮助打开模拟引擎帮助9495选择模式放大模式直波导模式弧形波导模式分支波导模式S弯曲弧形

22、波导模式模拟区模式示例96 只能在绘制波导时起作用偏移量参考角度参考波导Z轴9798全局设置(打开初始对话框)变量表多层波导编辑框监视路径设置监视器设置初始场设置99运行程序计算波导折射率参数扫描模式求解100四 变量表主要功能: 1.改变内建变量的值 2.创建新变量101102常用内建变量alpha: 波导折射率虚部background_index: 背景折射率delta:缺省波导折射率差free_space_wavelength:自由空间光波长height:波导高度缺省值width:波导宽度缺省值k0=(2*pi)/free_space_wavelength103变量名变量值当前值104接

23、受修改/创建的变量放弃修改/创建的变量新建变量删除变量1051.修改变量过程(1)选中需要修改的变量106修改表达式的值107108创建新变量(1)点击New Symbol按钮109(2)输入变量名及其表达式110(3)点击Accept Symbol111说明1.不能删除内建变量;2.创建变量必须先点New Symbol按钮;3.变量值可以为包含已定义变量的表达式以及常用函数;3.必须点OK,修改/创建才生效.112113应用举例width=4114width=8115第三章 基本操作1. 波导结构及参数设置 顶点设置 波导类型设置 锥形区设置2. 初始对话框设置3.运行程序116波导维度举例

24、117118横截面折射率分布二维波导119横截面折射率分布三维波导120121圆波导122通道波导（矩形波导）123首先将波导参数简化 由两部分组成: 1.波导两端的几何结构 波导宽度(width)、高度(height)和波导两端中心的位置 2.波导两端的中心位置的折射率 124125126用折射率差表示波导折射率n0为背景折射率，n为波导折射率与背景折射率之差0( , )( , )bn x ynnf x y127二维波导参数设置(x1,z1)(x0,z0)128 三维波导参数设置特点： 通过波导两端面的折射率分布及位置参数来确定整个三维波导的参数 更进一步地，通过设置波导两端面中心处的参数（

25、x,y,z坐标、与背景材料折射率差）及波导的两端的宽度和高度来确实整个波导的参数 x,z坐标可在绘制波导时确定,y坐标须通过设置波导属性获得129 横截面的折射率分布称为profile 波导纵向的折射率分布称为taper130圆波导131通道波导(矩形波导)132扩散波导133134脊形波导135多层波导136 波导参数对话框设置137138公共信息(Common Information)139顶点信息(Vertex Information)起点(Start Vertex)140 终点(Ending Vertex)141 其它信息142顶点设置波导折射率差波导折射率虚部波导宽度波导高度1434

26、imagn折射率虚部定义:表示能量衰减形式为:ze144顶点信息y值x值x值参考类型145146参考类型参数值顶点的绝对坐标=参数值+参考点的坐标值参考波导的序号参考顶点序号0表示起点1表示终点147 偏移量参考(相对值)参考点可以为波导的另一端点也可以为另一波导的某一端点148例1149150151152153偏移参考优点:1.设置波导长度2.可以方便地调整由多个部件组成的波导的尺寸3.调整波导长度而不影响波导的角度154 波导的粘连 当绘制的波导2的某一端点a与已绘制的一波导1的某一端点b距离很近时,两波导端点会自动连接起来 即波导2的端点坐标a将以b点为参考。 实例演示155波导类型设置

27、 二维波导156157158三维波导 光纤159160横截面折射率分布161162横截面折射率分布163 其它几种类型的波导: Diffused(扩散型),Ridge(脊形),Multilayer(多层)波导,需要预先设定164公共信息(Common Information) Taper(渐变区)设置165公共信息(Common Information) Taper(渐变区)设置波导中心处x坐标是z的函数即x=f(z)166可选择类型167线性(linear)168平方型(Quadratic)169指数型(Exponential)170弧形(Arc )171自定义类型(New Taper) 可

28、以自己设置f(z)函数或x与z的数值关系172折射率渐变(Index Taper) 设置波导区的折射率变化规律,即折射率为z的函数, n=f(z)173174线性(linear) 缺省设置175平方型(Quadratic)176指数型(Exponential)177 设置波导区的宽度与z的变化关系,w=f(z)宽度渐变(Width Taper)178179180181182183 Y方向渐变1841852. 初始对话框设置功能: 设置基本信息(维度,计算工具,矢量特性等) 设置波导缺省参数(背景折射率、波导宽度、高度、折射率差等） 缺省波导类型设置186187188波导维度圆对称波导计算189模拟工具190自由空间光波长free_space_wavelength背景折射率background_index波导与背景折射率差delta波导宽度width波导高度height191192193波导类型及特殊参数设置194纸张大小，以微米为单位195小提示 在缺省情况下,软件中与尺寸、波长有关的参数均以微米为单位196197显示全部波导放大缩小恢复上次窗口大小