工作Rsoft軟件簡介和使用

目錄Rsoft簡介 3Chapter7Tutorials第七章教程 5Tutorial1:RingResonator教程1：環(huán)形共振器 5DeviceLayout:器件結(jié)構(gòu)： 5DefiningVariables定義變量 6DrawingtheStructure畫器件結(jié)構(gòu)圖 6CheckingtheIndexProfile核對折射率分布 9AddingTimeMonitors添加時間監(jiān)視〔探測〕器 10Simulation:PulsedExcitation模擬：脈沖激發(fā) 12LaunchField激發(fā)場 12Wavelength/FrequencySpectrum波長/頻率光譜 12IncreasingtheResolutionoftheFFT提高FFT的分辨率 14Simulation:CWExcitation模擬：連續(xù)激發(fā) 16Tutorial2:PBGCrystal:SquareLattice教程2：PBG晶體：四方晶格 17Latticelayout晶格布局 17BaseLatticeGeneration基準晶格的創(chuàng)立 17LatticeCustomization定制晶格 18CheckingtheIndexProfile核對折射率分布 18InsertingTimeMonitors插入時間監(jiān)視器 19LaunchSetUp激發(fā)場設置 20Simulation模擬 21DataAnalysis數(shù)據(jù)分析 22SwitchingPolarization改變偏振為TM模 23PeriodicBoundaryConditionSetUp 24Tutorial3:PBGCrystal:TeeStructure教程3：PBG晶體：T型結(jié)構(gòu) 24Tutorial4:PBGCrystal:DefectMode教程四：PBG晶體：缺陷模型 24

Rsoft簡介包括BeamPROP、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輔助設計和模擬仿真的專業(yè)軟件，專用于設計集成光學波導元件和光路。此軟件使用先進的有限差分光束傳播法

(finite-difference

beam

propagation

method)來模擬分析光學器件。用戶界面友好，分析和設計光學器件輕松方便。其主程序為一套完善的用于設計光波導元件和光路CAD設計系統(tǒng)，且可控制相關的模擬參數(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：是一高度整合之復雜光子組件仿真設計分析軟件，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之作用。其主控程序為

BeamPROP

之

CAD

Layout

系統(tǒng)，用來設計光波導組件及光路，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帶結(jié)構(gòu)模擬分析設計軟件。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)進行自動的計算,包括:二維或三維的光子晶片和波導，二維或三維的腔體結(jié)構(gòu)問題以及光子晶體光纖。

GratingMOD：用以設計并分析在光纖/波導光柵元件之應用軟件。

體。其對于開展WDM與DWDM特別有助益。

它適合用來分析光柵結(jié)構(gòu)(Design)，亦可藉由量測或已它適合用來分析光柵結(jié)構(gòu)(Design)，亦可藉由量測或頻譜－決定該光柵之特性(Synthesis)。知頻譜－決定該光柵之特性(Synthesis)。

GratingMOD

可以設計分析任何波導橫向結(jié)構(gòu)(Transverse

GratingMOD可以設計分析任何波導橫向結(jié)構(gòu)(Transverse

Profile)，因為它使用BeamPROP

的CAD

繪圖界面設計光柵結(jié)構(gòu)，并采用正交藕合模態(tài)理論(OrthogonalProfile)，因為它使用BeamPROP的CAD繪圖界面設計光柵結(jié)構(gòu)，并采用正交藕合模(Orthogonal

Coupled-Mode

Theory)

與轉(zhuǎn)移矩陣法(Transfer

Matrix

Method)有效地分析光柵特性。

Coupled-Mode

Theory)與轉(zhuǎn)移矩陣法(Transfer

Matrix

Method)有效地分析光柵特性。

GratingMOD

GratingMOD

可定義周期性縱向微擾(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：適用于繞射光學結(jié)構(gòu)-例如:繞射光學元件、次波長周期性結(jié)構(gòu)、光子能隙晶體的模擬設計軟體。元件、亞波長周期性結(jié)構(gòu)、光子能隙晶體的模擬設計軟體。DiffractMOD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)與根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)

等與根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)進行時域響應(time-domain

response)模擬，或選用BandSOLVE

(PWE)進行能帶結(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)與腔體(cavity)模態(tài)紀錄。應用：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-具高折射率比照(high

index

contrast)與small

feature

sizes的元件結(jié)構(gòu)。耗損結(jié)構(gòu)(Lossy

structures)

。硅晶元件(例如:絕緣層上硅晶-

SOIs-

Silicon

on

Insulator)。極化旋轉(zhuǎn)器(Polarization

rotators)?？招幕?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)。

MOST：用以優(yōu)化設計分析光電元件之軟體模組。以優(yōu)化設計分析光電元件之軟體模組。初階的光子模型建立根本上牽涉到模擬，借以探究問題的相關物理特性;對於元件制造的設計周期而言，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。這可能牽涉到對適宜范圍參數(shù)空間的系統(tǒng)搜尋與多重維度的自動優(yōu)化。

空間的系統(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。

Chapter7Tutorials第七章教程所有的教程都在Rsoft安裝目錄(EXAMPLES\FULLWAVE\TUTORIA)下可以找到原型實例。Tutorial1:RingResonator教程1：環(huán)形共振器本局部討論環(huán)形共振器的創(chuàng)立與分析。環(huán)形共振器是一種應用廣泛的高Q值波長濾波器。首先介紹器件的布局與設置，然后討論脈沖分析〔apulseanalysis〕。脈沖計算〔pulsedcalculation〕可以產(chǎn)生一個光譜響應，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行連續(xù)模擬〔CWsimulation〕。DeviceLayout:器件結(jié)構(gòu)：我們接下來要模擬的環(huán)形共振器為寬為0.2μm、折射率為3的波導，其共振波長約為2μm。步驟：翻開RSoftCAD-Layout：點擊創(chuàng)立新結(jié)構(gòu)按鈕〔NewCircuiticon〕設置如下參數(shù)〔見下列圖〕：FreeSpaceWavelength：2；WaveguideWidth：；BackgroundIndex：1；IndexDifference：2DefiningVariables定義變量單擊EditSymbols按鈕R1=R-width/2R2=R+width/2.DrawingtheStructure畫器件結(jié)構(gòu)圖我們將作圓形的波導〔環(huán)〕：首先畫個圓盤，然后在其中間挖個洞。步驟：從菜單中選擇Options/Insert/Lens：設置WaveguideWidth：2*R2，F(xiàn)rontRadius：R2，BackRadius：–R2；中心挖洞：SelectModeicon,左擊畫好的圓盤〔Lens#1〕，左擊DuplicateSelection按鈕，右擊圓盤〔Lens#2〕.設置WaveguideWidth：2*R1,FrontRadius：R1,BackRadius：–R1andtheIndexDifference：0；點擊對話框中的More按鈕，設置DisplayColor：Yellow,PriorityLevel：1,BackgroundIndex：background_index+delta.接下來局部做一個buswaveguides：點擊SegmentMode按鈕，在右邊畫個段狀波導，參數(shù)設置如下圖：復制一個條形波導，參數(shù)設置如下列圖所示：CheckingtheIndexProfile核對折射率分布為了查看器件各局部折射率分布，點擊DisplayIndexProfile按鈕，選擇顯示模式DisplayMode為ContourMap(XZ)，設置參數(shù)如下圖：點擊Ok按鈕后，出現(xiàn)下列圖描述的折射率分布情況〔第二個圓盤優(yōu)先級別更高〕：AddingTimeMonitors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，為后面分析做準備。我們將用兩個監(jiān)視器來測量場透射和衰減〔transmittedanddropped〕情況。步驟：選擇菜單Options/Insert/TimeMonitor：選擇監(jiān)視器，復制一個，設置參數(shù)如下列圖所示：最后器件的結(jié)構(gòu)如下圖：Simulation:PulsedExcitation模擬：脈沖激發(fā)這局部討論環(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。LaunchField激發(fā)場設置激發(fā)場的空間特征和時間特征。點擊EditPathways按鈕，點NewPathway按鈕，左擊左邊條狀波導，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EditLaunchField按鈕，注意設置LaunchPathway序號為1.LaunchType為SlabMode，點擊OK，返回CAD窗口。Wavelength/FrequencySpectrum波長/頻率光譜點擊PerformSimulation按鈕，設置模擬參數(shù).時間步長TimeStep設置足夠小以滿足柯朗穩(wěn)定性條件〔Courantstabilitycondition〕,在空間網(wǎng)格尺寸〔GridSize〕為0.02μm，我們可以設置時間步長為。接下來，點擊Output…按鈕，在FDTDOutputOptions窗口設置輸出選項，確認meMonitor和WavelengthMonitor，和FrequencyMonitor設為Yes，然后點擊OK按鈕關閉窗口。接下按Display…按鈕，設置OutlineColor為黑色Black。按下OK后，最后開始模擬。模擬結(jié)束后，結(jié)果如下列圖所示，其中下方曲線圖為來自timemonitors的結(jié)果。IncreasingtheResolutionoftheFFT提高FFT的分辨率要分析波長光譜，可以ViewGraphs按鈕，選擇文件，顯示如下列圖，譜線態(tài)粗糙了，可以通過設置更大的stoptime值來提高譜線光滑度。下列圖為StopTime設為2^15*fdtd_time_step時的結(jié)果。Simulation:CWExcitation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，我們將分析共振器在波長為1.977μm的情形。D點擊EditGlobalSettings按鈕，設置FreeSpaceWavelength：。點擊PerformSimulation按鈕，將激發(fā)模式Excitation設為CW，同時將StopTime設為2^14*fdtd_time_step，輸入一個新的輸出文件前綴OutputFilePrefix，如ring_cw。模擬結(jié)構(gòu)如下列圖所示。上圖連續(xù)激發(fā)CW模擬結(jié)果與脈沖激發(fā)所預言相一致。我們看出在波導中電場能量逐漸增強，最后電磁場幾乎全部傳輸?shù)捷敵霾▽АＲ虼?，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@得器件的光譜響應及其工作在共振波長的電場場傳播情形。Tutorial2:PBGCrystal:SquareLattice

教程2：PBG晶體：四方晶格〔PBG:photonic-bandgap光子帶隙〕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性質(zhì)。我們將計算此光子晶體的光譜響應，從而揭示存在光子帶隙。分析過程采用時間響應譜的傅立葉變換來獲得系統(tǒng)的頻率響特性。整個模擬過程將進行兩次計算，分別對應于兩種邊界條件：完美匹配層邊界條件PML；周期性邊界條件。Latticelayout晶格布局建立晶格的方法有多種，接下來我們采用ArrayLayoutXZutility工具來創(chuàng)立所需的四方晶格。BaseLatticeGeneration基準晶格的創(chuàng)立菜單Utility/ArrayLayoutXZLatticeCustomization定制晶格點擊EditGlobalSettings按鈕，設置背景折射率BackgroundIndex為1，折射率差IndexDifference為〔GaAs〕，偏振Polarization為TE，自由空間波長FreeSpaceWavelength為。按OK關閉窗口?！苍O置變量Period=0.6μm，Radius=0.18〕CheckingtheIndexProfile核對折射率分布點擊DisplayIndexProfile按鈕，設置DisplayMode為Cont