Rsoft軟件簡介與使用

1、目錄Rsoft 簡介3Chapter 7 Tutorials 第七章 教程 5Tutorial 1: Ring Resonator 教程 1 ： 環(huán)形共振器 5Device Layout:器件結(jié)構(gòu): 5Defining Variables 定義變量6Drawing the Structure 畫器件結(jié)構(gòu)圖 7Checking the Index Profile 核對折射率分布 9Adding Time Monitors 添加時間監(jiān)視（探測）器 10Simulation: Pulsed Excitation 模擬： 脈沖激發(fā) 12Launch Field 激發(fā)場12Wavelength/Freq

2、uency Spectrum 波長 /頻率光譜 12Increasing the Resolution of the FFT 提高 FFT 的分辨率 14Simulation: CW Excitation 模擬： 連續(xù)激發(fā) 16Tutorial 2: PBG Crystal: Square Lattice 教程 2： PBG 晶體：四方晶格 17Lattice layout 晶格布局17Base Lattice Generation 基準(zhǔn)晶格的創(chuàng)建 17Lattice Customization 定制晶格18Checking the Index Profile 核對折射率分布 18Insert

3、ing Time Monitors 插入時間監(jiān)視器 19Launch Set Up 激發(fā)場設(shè)置 20Simulation 模擬21Data Analysis 數(shù)據(jù)分析 22Switching Polarization 改變偏振為 TM 模23Periodic Boundary Condition Set Up 24Tutorial 3: PBG Crystal: Tee Structure 教程 3: PBG 晶體：T 型結(jié)構(gòu).錯誤！未定義 書簽。Tutorial 4: PBG Crystal: Defect Mode 教程四：PBG晶體：缺陷模型.錯誤！未定義 書簽。Rsoft簡介包括 Be

4、amPROP、FullWAVE、BandSOLVE、GratingMOD、DiffractMOD、 FemSIM,以及MOST軟件。以下是 Rsoft各個模塊的介紹：BeamPROP :是一個高度集成了計算機(jī)輔助設(shè)計和模擬仿真的專業(yè)軟件，專用于 設(shè)計集成光學(xué)波導(dǎo)元件和光路。此軟件使用先進(jìn)的有限差分光束傳播法(finite-difference beam propagation method)來模擬分析光學(xué)器件。用戶界面友好，分析和設(shè)計光學(xué) 器件輕松方便。其主程序為一套完善的用于設(shè)計光波導(dǎo)元件和光路CAD設(shè)計系統(tǒng)，且可控制相關(guān)的模擬參數(shù)，如：數(shù)值參數(shù)、輸入場以及各種顯示、分析功能選項。另一功能為

5、 模擬程序，它可以在主程序內(nèi)或獨立執(zhí)行模擬分析工作，以圖形方式顯示域的特性以及用 戶感興趣的各種數(shù)值特性。FullWAVE :是一高度整合之復(fù)雜光子組件仿真設(shè)計分析軟件，它使用有限差分時 域之模擬分析方法，藉以分析一般光束傳播法所無法建立模型分析的光子組件，例如光晶 體與環(huán)狀共振器等。因此，RSoft公司所開發(fā)的BeamPROP與FullWAVE軟體，兩者實際上是具有互補(bǔ)之作用。其主控程序為BeamPROP之CAD Layout系統(tǒng)，用來設(shè)計光波導(dǎo)組件及光路，亦即 BeamPROP與FullWAVE共享同一個 CAD Layout程序。BandSOLVE ：是目前世界上唯一一套商用的光子晶體能

6、帶結(jié)構(gòu)模擬分析設(shè)計軟件。集成了 CAD和仿真功能，可以對所有光子晶體部件的能帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行自動的計算，包括:二維或三維的光子晶片和波導(dǎo)，二維或三維的腔體結(jié)構(gòu)問題以及光子晶體光纖。GratingMOD :用以設(shè)計并分析在光纖 /波導(dǎo)光柵元件之應(yīng)用軟件。體。其對于發(fā)展WDM與DWDM特別有助益。它適合用來分析已知光柵結(jié)構(gòu) (Design),亦可藉由量測或已它適合用來分析已知光柵結(jié)構(gòu)(Design),亦可藉由量測或已知頻譜決定該光柵之特性(Synthesis)o知頻譜決定該光柵之特性(Synthesis)。GratingMOD可以設(shè)計分析任何波導(dǎo)橫向Z構(gòu)(Transverse GratingMOD可以設(shè)

7、計分析任何波導(dǎo)橫向結(jié)構(gòu)(Transverse Profile),因為它使用BeamPROP的CAD繪圖界面設(shè)計光柵結(jié)構(gòu)，并采用正交藕合模態(tài)理論 (OrthogonalProfile),因為它使用 BeamPROP的CAD繪圖界面設(shè)計光柵結(jié)構(gòu)，并采用正交 藕合模(Orthogonal Coupled-Mode Theory)與轉(zhuǎn)移矢巨陣法(Transfer Matrix Method)有效地分析 光柵特性。 Coupled-Mode Theory)與轉(zhuǎn)移矢I陣法(Transfer Matrix Method)有效地分析光柵特 性。GratingMOD GratingMOD 可定義周期性縱向微擾

8、(Periodic Longitudinal Perturbation)以 產(chǎn)生縱向光柵結(jié)構(gòu)。可定義周期性縱向微擾 (Periodic Longitudinal Perturbation)以產(chǎn)生縱向光柵結(jié)構(gòu)。 其使得GratingMOD其使得GratingMOD適用於2D/3D的模擬，且運算速度較Bi-Directional BPM 更快速。適用于 2D/3D的模擬，且運算速度較Bi-Directional BPM 更快 速。DiffractMOD :適用于繞射光學(xué)結(jié)構(gòu)-例如：繞射光學(xué)元件、次波長周期性結(jié)構(gòu)、光 子能隙晶體的模擬設(shè)計軟體。元件、亞波長周期性結(jié)構(gòu)、光子能隙晶體的模擬設(shè)計軟體。 D

9、iffractMOD運用包含快速傅立葉分解(fast Fourier factorization)與泛用傳輸線公式(generalized transmission line formulation)- 的嚴(yán)格藕合波分析 (Rigorous Coupled Wave Analysis - RCWA)技波分析(Rigorous 洲 Coupled Wave Analysis - RCWA)技巧。它可以精確有效地模擬-具有任意網(wǎng)格結(jié)構(gòu)它可以精確有效地模擬-具有任 意網(wǎng)格結(jié)構(gòu)與基本單元折射率剖面的2D/3D結(jié)構(gòu)，并能分析介電(dielectric) 色散(dispersive)與耗損(lossy)等

10、與基本單元折射率剖面的2D/3D結(jié)構(gòu)，并能分析介電(dielectric) 色散(dispersive)與耗損(lossy)等材料結(jié)構(gòu)。材料結(jié)構(gòu)。再者，使用者可彈性控制入射方向(incident direction)與照度極化(polarization of再者,使用者可彈性控制入射方向 (incident direction)與照度極化 (polarization of illumination) 以完成模擬。illumination)以完成 模擬。DiffractMOD 與其他 RSoft所開發(fā)-BeamPROP、FullWAVE、BandSOLVE、GratingMOD 等元件模擬軟體共

11、用 CAD 布局 界面。軟體共用CAD布局界面。此CAD界面提供任意輪廓的精確定義與全參數(shù)化的設(shè) 計模型環(huán)境。DiffractMOD中的繞射結(jié)構(gòu)布局，可直接選用FullWAVE (FDTD)進(jìn)行時域響應(yīng) (time-domain response)模擬，或選用 BandSOLVE (PWE)進(jìn)行能帶結(jié)構(gòu)分析 (band structure analysis)。FemSIM ：運用有限元素法(FEM-Finite Element Method)的泛用光子元件解模器 (mode solver),透過非均勻網(wǎng)格(non-uniform mesh)可用來計算任意元件中的任何橫切 (transverse

12、)與腔體(cavity)模態(tài)紀(jì)錄。應(yīng)用：可分析任何形狀的元件-包含彎曲與罕見的形狀。高度混合型元件 -具高折射率對比(high index contrast)與small feature sizes的元件結(jié)構(gòu)。 耗損結(jié)構(gòu)(Lossy structures) o硅晶元件(例如：絕緣層上硅晶-SOIs- Silicon on Insulator)。極化 旋轉(zhuǎn)器(Polarization rotators) o 空心或?qū)嵭墓饩Ч饫w (Air or solid core photonic fibers)。雷射與 光能隙晶體之缺陷與腔體 (Laser and PBG defect cavities)。M

13、OST:用以優(yōu)化設(shè)計分析光電元件之軟體模組。以優(yōu)化設(shè)計分析光電元件之軟 體模組。初階的光子模型建立基本上牽涉到模擬，借以探究問題的相關(guān)物理特性；對於元件制造的設(shè)計周期而言，了解系統(tǒng)完整的參數(shù)空間便顯得不可或缺。性；對于元件制造的設(shè)計周期而言，了解系統(tǒng)完整的參數(shù)空間便顯得不可或缺。這可能牽涉到對合適范圍參數(shù)空間 的系統(tǒng)搜尋與多重維度的自動優(yōu)化?？臻g的系統(tǒng)搜尋與多重維度的自動優(yōu)化。做為 RSoft光子元件模擬軟體的自動優(yōu)化模組，MOST可簡化參數(shù)掃描與優(yōu)化的定義、計算及分析。掃描與優(yōu)化的定義、計算及分析。Chapter 7 Tutorials 第七章 教程所有的教程都在 Rsoft安裝目錄(EXA

14、MPLESFULLWAVETUTORIA)下可以找到原型實例。Tutorial 1: Ring Resonator 教程 1：環(huán)形共振器本部分討論環(huán)形共振器的創(chuàng)建與分析。環(huán)形共振器是一種應(yīng)用廣泛的高Q值波長濾波器。首先介紹器件的布局與設(shè)置，然后討論脈沖分析( a pulse analysis)。脈沖計算 (pulsed calculation )可以產(chǎn)生一個光譜響應(yīng)，讓分析器件的光譜特性，從而可以回避在連續(xù)模式下(CW)對整個波長的參數(shù)掃描，節(jié)省分析時間，提高分析效率。最后，我們對 器件的某一共振波長進(jìn)行連續(xù)模擬( CW simulation )。Device Layout:器件結(jié)構(gòu):我們接下

15、來要模擬的環(huán)形共振器為寬為0.2 m、折射率為3的波導(dǎo)，其共振波長約為2 mo步驟：1、打開 RSoft CAD-Layout2、點擊創(chuàng)建新結(jié)構(gòu)按鈕(New Circuit icon3、設(shè)置如下參數(shù)（見下圖）Free Space Wavelength ： 2; Waveguide Width : 0.2;Background Index : 1; Index Difference : 2Defining Variables 定義變量單擊Edit Symbols按鈕Gap = 0.2 L = 0.5 R = 1.7 R1 = R-width/2 R2 = R+width/2.Drawing th

16、e Structure 畫器件結(jié)構(gòu)圖我們將作圓形的波導(dǎo)（環(huán)）：首先畫個圓盤，然后在其中間挖個洞。步驟：1、從菜單中選擇 Options/Insert/Lens : 2、設(shè)置 Waveguide Width : 2*R2 , Front Radius : R2 , Back Radius : -R2 ;3、中心挖洞：Select Mode icon,左擊畫好的圓盤（Lens #1）,左擊 Duplicate Selection 按鈕，右擊圓盤（Lens #2）.設(shè)置 Waveguide Width : 2*R1, Front Radius : R1, Back Radius: -R1 and t

17、he Index Difference : 0;點擊對話框中的 More 按鈕，設(shè)置 Display Color : Yellow, Priority Level : 1, Background Index : background_index+delta.Display ColorMask L也削：Priority Level:Ref Background Ind&f：YellowSideiall Anglec|0|oNonlirieai N2 coef (real): |1Nonlineai N2 coef lirnag: 0back.ground_indeHNonlineai N

18、2 sal coef: 0Simulated BendLNotDispeisiori Reffrad/um): |dekdtSimulated Bend Radius:I 口Dispeision Res a.uij:俄haultEleeltcde/I-Iester Type：EZH Control Paiameter：None |o口 K |Delta Tensor:-1Cancel Ad.d_itioital Coaponerrt Properties4、接下來部分做一個 bus waveguides：點擊Segment Mode按鈕,在右邊畫個段狀波導(dǎo)，參數(shù)設(shè)置如圖所示:ShuGtLie

19、Type.Phi Ifo Type;Combine Mode：0 efault Position T aper:D efaultWidlki Measure KSault 二I nd部T叩部而高Width T aper;網(wǎng)口門已Height Taper:|fJoneSeg OrienlatiorL 之內(nèi)4學(xué) .Y Pos T jper:None tHone Stai ting VertexEnding VertesIndex Difference:IruleK 油司 口卻叮： V/aveguide Width.Waveguide Height: Y Posit io niR2+Gap+widt

20、iV2Indew Difference: IndeH Ibnag part): Waveguide Width: Waveguide Height: Y Pcfkion:Reference Type' N one r OfhetAngle Paiarrteter Value：VReference Toe Comporienl: |- Verlev：Reference Type: '* NoneOffsetr AnglePara meter Value：Reference TypaNone田 Offsetr AnglePa ameter Value：R eference Ty 口

21、印None,* Off jetAnglePiameter Value.IFieferenoe To：Component- Vertex|DReference T：Compoherit: p-Vertaw:o-|2K(R2+LRefeience ToeCcmpoheht s-Vertew:同一IB Propertxes for Segment: S35、復(fù)制一個條形波導(dǎo)，參數(shù)設(shè)置如下圖所示:Stiuclure T即公D 創(chuàng)；UtPosition Tapei.| NoneP3 歸 Type:Default TIndoK 7 opocNoneCom bine Mode:Def suit TWidth

22、 T 叩6；NoneWidth Pleasure:Dekt 二|Height Taper:NoreSeg Orisntation: | ； 4HAYPosIapa. NoneStarling VertexEndrg Verte>-R2-G ap-wicih/2Reference Type： Nona'OJfeetAnglePsrame=tei Vallie;Refererice To：ComponentVertex:Index DiffeiencecIndex (imag part I Waveguide Width. V/avejuide H eight： Y Position

23、:R eFerence Type: NoneC OffsetAngleP 司 ameUi Value:FReference To:Component:Vertew:Ftel&renM Type：None» OfhetC AngloRafa mete rValue;口Fieference ToComponent.Vertex:Index Difference:Index innag part):Waveguide WidthWaveguide HeightY PositioniReference Type: None' OffsetAnglePyrame t&r

24、 V-alue;|r(R2+L)Reference To:Component.Vertex:frj-Checking the Index Profile 核對折射率分布為了查看器件各部分折射率分布，點擊Display Index Profile按鈕選擇顯示模式Display Mode為ContourMap(XZ),設(shè)置參數(shù)如圖所示:點擊Ok按鈕后，出現(xiàn)下圖描述的折射率分布情況（第二個圓盤優(yōu)先級別更高） ini xlF-ila Edt View Rla Help1四支第| 15noli - CliiiiptjLiIIoii CuiiiplettKJ - X:Adding Time Monitor

25、s 添加時間監(jiān)視（探測）器接下來將在器件中插入時間監(jiān)視器，為后面分析做準(zhǔn)備。我們將用兩個監(jiān)視器來測量場透射和衰減（transmitted and dropped）情況。步驟：1、選擇菜單 Options/Insert/Time Monitor2、選擇監(jiān)視器，復(fù)制一個，設(shè)置參數(shù)如下圖所示:3、最后器件的結(jié)構(gòu)如圖所示:Simulation: Pulsed Excitation 模擬：脈沖激發(fā)這部分討論環(huán)形共振器的模擬和分析。我們將首先計算該共振器的一個波長/頻率光譜，然后模擬器件工作在共振波長下場的分布情況。Launch Field 激發(fā)場設(shè)置激發(fā)場的空間特征和時間特征。點擊Edit Pathwa

26、ys按鈕_0,點New Pathway按鈕 New I,左擊左邊條狀波導(dǎo)，它 的顏色變成亮的綠色，點擊 OK。此時，我們已經(jīng)建立一個Pathway #1,單擊Edit Launch血|、kField 按鈕-I,注息設(shè)置 Launch Pathway 序廳為 1. Launch Type 為 Slab Mode ,點擊OK,返回CAD窗口。Wavelength/Frequency Spectrum 波長/頻率光譜點擊 Perform Simulation 按鈕ffl,設(shè)置模擬參數(shù).時間步長Time Step設(shè)置足夠小以滿足柯朗穩(wěn)定性條件(Courant stability condition )

27、,在空間網(wǎng)格尺寸(Grid Size )為0.02師，我們可以設(shè)置時間步長為0.0135。擬。:SiAulat ion Paraaet；|XY7Domain Min:Domain Mac; Grid EM PM L Width， PML RMI.!Current Vdue 7|0.02Defauft Use Value Dels廠LDetdjt UseVdue D4手|ogP|117Currenr Vlue1.220 |22S |0.O2 |0j1 e008Dekut UseValue Do除 | 2 26 W |2+23|7Toi- rDefault LaunchEncitalion:(Al

28、l times aie cl in units of umPiHEstimated Time:1.576 minLaunch.Output Ptefe:SyrnbokfAd'jwted.Output |Cluster Ssiting;.Dis：play.Ramp2Puls& Time； |hnnbdaScures Offset:o-Estimated Mem.112MB接下來，點擊 Output 按鈕，在FDTD Output Options窗口設(shè)置輸出選項，確認(rèn) me Monitor 和 Wavelength Monitor ,和 Frequency Monitor 設(shè)為 Y

29、es,然后點擊 OK 按鈕關(guān)閉窗 口。接下按Display按鈕，設(shè)置 Outline Color為黑色Black。按下OK后，最后開始模模擬結(jié)束后，結(jié)果如下圖所示，其中下方曲線圖為來自time monitors 的結(jié)果。JullTAVE - Gomputatipu CovpltedIXFzle gdit Vi ew fixm KelpContour Map of Ey21 二0 -1 -3-2-1012X(lhti)000 9 6 4 2 01s0 n 010aC.X： 011551Y:-5.9388Increasing the Resolution of the FFT 提高 FFT 的分辨

30、率圖,要分析波長光譜，可以 View Graphs按鈕, 選擇 ring pulse.pwm 文件，顯示如下1.2kO0.80.60.40.20.0Monitor Type, _Q«7aUonJverlp, :N 1.0,1 £|Overlap.：2 l,0.-1.3i134Monitor Typ9, Loccti&n;(-2.1,0,1,8)(Xei l-jp.01234Wavelength (jim)譜線態(tài)粗糙了，可以通過設(shè)置更大的stop time值來提高譜線光，t度。下圖為 StopTime 設(shè)為 2A15*fdtd_time_step 時的結(jié)果。L21.0

31、0.80.60.40,20.0Wavelength pm)Simulation: CW Excitation 模擬：連續(xù)激發(fā)通過脈沖激發(fā)模擬，我們可作出環(huán)形共振器的波長光譜。在連續(xù)激發(fā)下，我們將分析點擊 Edit Global Settings 按鈕共振器在波長為1.977 m的情形。D,設(shè)置 Free Space Wavelength: 1.977。點擊Perform Simulation按鈕，將激發(fā)模式Excitation設(shè)為CW,同時將 Stop Time設(shè)為 2Ai4*fdtd_time_step ,輸入一個新的輸出文件前綴Output File Prefix ,如 ring_cw。模

32、擬結(jié)構(gòu)如下圖所示。1.0 ;0 3 :Cl. 6 T0.4三0 2 0.0三FulIIAVE - Gowpoitation Completed01OD200CT （卬）II又 8.192|Y?2.1633上圖連續(xù)激發(fā)CW模擬結(jié)果與脈沖激發(fā)所預(yù)言相一致。我們看出在波導(dǎo)中電場能量逐漸增強(qiáng)，最后電磁場幾乎全部傳輸?shù)捷敵霾▽?dǎo)。因此，通過利用脈沖激發(fā)和連續(xù)激發(fā)兩種 類型的模擬計算，我們?nèi)菀啄塬@得器件的光譜響應(yīng)及其工作在共振波長的電場場傳播情 形。Tutorial 2: PBG Crystal: Square Lattice教程2: PBG晶體：四方晶格（PBG: photonic-bandgap 光子帶

33、隙）這個教程主要介紹光子晶體晶格（四方晶格為例）作圖，然后利用FDTD方法分析這些晶格的光學(xué)性質(zhì)。我們將計算此光子晶體的光譜響應(yīng)，從而揭示存在光子帶隙。分析過程采用時間響應(yīng)譜的傅立葉變換來獲得系統(tǒng)的頻率響特性。整個模擬過程將進(jìn)行兩次計 算，分別對應(yīng)于兩種邊界條件：完美匹配層邊界條件PML;周期性邊界條件。Lattice layout 品格布局建立晶格的方法有多種，接下來我們采用Array Layout XZ utility 工具來創(chuàng)建所需的四方晶格。Base Lattice Generation基準(zhǔn)品格的創(chuàng)建菜單 Utility/Array Layout XZLattice Customiza

34、tion 定制品格點擊Edit Global Settings按鈕,設(shè)置背景折射率 Background Index為1,折射率差I(lǐng)ndex Difference 為 2.4 (GaAs),偏振 Polarization 為 TE ,自由空間波長 Free Space Wavelength 為 Period/0.45。按 OK 關(guān)閉窗口。(設(shè)置變量 Period= 0.6 m, Radius=0.18 )Checking the Index Profile 核對折射率分布點擊 Display Index Profile 按鈕,設(shè)置 Display Mode 為 ContourMap (XZ)

35、, ComputeStep in X and Z 為 0.02, Slice Step in both X and Z 為 Compute Step。點擊OK后，結(jié)果見下圖。Inserting Time Monitors 插入時間監(jiān)視器Time菜單 Options/Insert/Time Monitors，設(shè)置 time Monitor Type 為 Default Field ,Average 為 No, Frequency Analysis 為 FFT。Launch Set Up激發(fā)場設(shè)置點擊 Edit Launch Field 按鈕,設(shè)置 Launch Type 為 Gaussian,L

36、aunch Width 為0.2*PeriodX , Launch Position X 為 0.34*PeriodX 。Lairich Field:廠NewPower;11Phase:南«» | DeleteoPolarizer.11.1rl 1,*"1Laur lur i rieiu lupiiurnr u i u upuuri-Type：TiltMode:MM。G日u於俯n 二Pathway:L囚囚Temporal Excitation;NoBackground N:defautType：V/sTfilsngth：Fi。叩中心號TM;Default Delta N：Phi;defoul| defaultdefault(defaultRandomi Set:Theta;Delay Time;| defaultInput File (E-Mjor): Input File (E-M inor):MdlkOLkPed品Shutoff Time：Chirp Coefficinl:defaultHeight:defaultdefaultAlign File：NoTLength:defaultSpatial Excitation:NomdizatKin:None一|Posilio