Rsoft軟件簡介與使用.doc

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6Checking the Index Profile 核對(duì)折射率分布9Adding Time Monitors 添加時(shí)間監(jiān)視（探測）器10Simulation: Pulsed Excitation 模擬：脈沖激發(fā)12Launch Field 激發(fā)場12Wavelength/Frequency 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(duì)折射率分布18Inserting Time Monitors 插入時(shí)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 Up24Tutorial 3: PBG Crystal: Tee Structure 教程 3：PBG晶體： T型結(jié)構(gòu)24Tutorial 4: PBG Crystal: Defect Mode 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(gè)模塊的介紹： BeamPROP：是一個(gè)高度集成了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和模擬仿真的專業(yè)軟件，專用于設(shè)計(jì)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-differencebeampropagationmethod)來模擬分析光學(xué)器件。用戶界面友好，分析和設(shè)計(jì)光學(xué)器件輕松方便。其主程序?yàn)橐惶淄晟频挠糜谠O(shè)計(jì)光波導(dǎo)元件和光路CAD設(shè)計(jì)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(xiàng)。另一功能為模擬程序，它可以在主程序內(nèi)或獨(dú)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(jì)分析軟件，它使用有限差分時(shí)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(shí)際上是具有互補(bǔ)之作用。其主控程序?yàn)锽eamPROP之CADLayout系統(tǒng)，用來設(shè)計(jì)光波導(dǎo)組件及光路，亦即BeamPROP與FullWAVE共享同一個(gè)CADLayout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(shè)計(jì)軟件。集成了CAD和仿真功能，可以對(duì)所有光子晶體部件的能帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行自動(dòng)的計(jì)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(jì)并分析在光纖/波導(dǎo)光柵元件之應(yīng)用軟件。體。其對(duì)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)。知頻譜決定該光柵之特性(Synthesis)。GratingMOD可以設(shè)計(jì)分析任何波導(dǎo)橫向結(jié)構(gòu)(TransverseGratingMOD可以設(shè)計(jì)分析任何波導(dǎo)橫向結(jié)構(gòu)(TransverseProfile)，因?yàn)樗褂肂eamPROP的CAD繪圖界面設(shè)計(jì)光柵結(jié)構(gòu)，并采用正交藕合模態(tài)理論(OrthogonalProfile)，因?yàn)樗褂肂eamPROP的CAD繪圖界面設(shè)計(jì)光柵結(jié)構(gòu)，并采用正交藕合模(OrthogonalCoupled-ModeTheory)與轉(zhuǎn)移矩陣法(TransferMatrixMethod)有效地分析光柵特性。Coupled-ModeTheory)與轉(zhuǎn)移矩陣法(TransferMatrixMethod)有效地分析光柵特性。GratingMODGratingMOD可定義周期性縱向微擾(PeriodicLongitudinalPerturbation)以產(chǎn)生縱向光柵結(jié)構(gòu)?？啥x周期性縱向微擾(PeriodicLongitudinalPerturbation)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(yùn)算速度較Bi-DirectionalBPM更快速。適用于2D/3D的模擬，且運(yùn)算速度較Bi-DirectionalBPM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(jì)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(jì)軟體。DiffractMOD運(yùn)用包含快速傅立葉分解(fastFourierfactorization)與泛用傳輸線公式(generalizedtransmissionlineformulation)-的嚴(yán)格藕合波分析(RigorousCoupledWaveAnalysis-RCWA)技波分析(Rigorous洲CoupledWaveAnalysis-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(incidentdirection)與照度極化(polarizationof再者,使用者可彈性控制入射方向(incidentdirection)與照度極化(polarizationofillumination)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(shè)計(jì)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(shí)域響應(yīng)(time-domainresponse)模擬，或選用BandSOLVE(PWE)進(jìn)行能帶結(jié)構(gòu)分析(bandstructureanalysis)。FemSIM：運(yùn)用有限元素法(FEM-FiniteElementMethod)的泛用光子元件解模器(modesolver)，透過非均勻網(wǎng)格(non-uniformmesh)可用來計(jì)算任意元件中的任何橫切(transverse)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(duì)比(highindexcontrast)與smallfeaturesizes的元件結(jié)構(gòu)。耗損結(jié)構(gòu)(Lossystructures)。硅晶元件(例如:絕緣層上硅晶-SOIs-SilicononInsulator)。極化旋轉(zhuǎn)器(Polarizationrotators)。空心或?qū)嵭墓饩Ч饫w(Airorsolidcorephotonicfibers)。雷射與光能隙晶體之缺陷與腔體(LaserandPBGdefectcavities)。 MOST：用以優(yōu)化設(shè)計(jì)分析光電元件之軟體模組。以優(yōu)化設(shè)計(jì)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(duì)於元件制造的設(shè)計(jì)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(duì)于元件制造的設(shè)計(jì)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(duì)合適范圍參數(shù)空間的系統(tǒng)搜尋與多重維度的自動(dòng)優(yōu)化?？臻g的系統(tǒng)搜尋與多重維度的自動(dòng)優(yōu)化。做為RSoft光子元件模擬軟體的自動(dòng)優(yōu)化模組，MOST可簡化參數(shù)掃描與優(yōu)化的定義、計(jì)算及分析。掃描與優(yōu)化的定義、計(jì)算及分析。Chapter 7 Tutorials 第七章 教程所有的教程都在Rsoft安裝目錄 (EXAMPLESFULLWAVETUTORIA) 下可以找到原型實(shí)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(jì)算（pulsed calculation）可以產(chǎn)生一個(gè)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(duì)整個(gè)波長的參數(shù)掃描，節(jié)省分析時(shí)間，提高分析效率。最后，我們對(duì)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 m。步驟：1、 打開RSoft CAD-Layout：2、 點(diǎn)擊創(chuàng)建新結(jié)構(gòu)按鈕（New Circuit icon）3、 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 the 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(gè)圓盤，然后在其中間挖個(gè)洞。步驟：1、 從菜單中選擇Options/Insert/Lens：2、 設(shè)置Waveguide Width： 2*R2，F(xiàn)ront 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 the Index Difference： 0；點(diǎn)擊對(duì)話框中的More按鈕， 設(shè)置Display Color：Yellow, Priority Level：1, Background Index：background_index+delta.4、 接下來部分做一個(gè)bus waveguides：點(diǎn)擊Segment Mode按鈕，在右邊畫個(gè)段狀波導(dǎo)，參數(shù)設(shè)置如圖所示：5、 復(fù)制一個(gè)條形波導(dǎo)，參數(shù)設(shè)置如下圖所示：Checking the Index Profile 核對(duì)折射率分布為了查看器件各部分折射率分布，點(diǎn)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(diǎn)擊Ok按鈕后，出現(xiàn)下圖描述的折射率分布情況（第二個(gè)圓盤優(yōu)先級(jí)別 更高）：Adding Time Monitors 添加時(shí)間監(jiān)視（探測）器接下來將在器件中插入時(shí)間監(jiān)視器，為后面分析做準(zhǔn)備。 我們將用兩個(gè)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 Monitor：2、 選擇監(jiān)視器，復(fù)制一個(gè)，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(jì)算該共振器的一個(gè)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(shí)間特征。點(diǎn)擊Edit Pathways 按鈕，點(diǎn) New Pathway按鈕， 左擊左邊條狀波導(dǎo)，它的顏色變成亮的綠色，點(diǎn)擊OK。此時(shí)，我們已經(jīng)建立一個(gè)Pathway #1，單擊Edit Launch Field按鈕，注意設(shè)置 Launch Pathway 序號(hào)為1. Launch Type 為 Slab Mode ，點(diǎn)擊OK，返回CAD 窗口。Wavelength/Frequency Spectrum 波長/頻率光譜點(diǎn)擊 Perform Simulation按鈕，設(shè)置 模擬參數(shù). 時(shí)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）, 在空間網(wǎng)格尺寸（ Grid Size ）為 0.02 m ，我們可以設(shè)置時(shí)間步長為0.0135。 接下來，點(diǎn)擊Output 按鈕，在FDTD Output Options 窗口設(shè)置輸出選項(xiàng)，確認(rèn)me Monitor和Wavelength Monitor，和Frequency Monitor設(shè)為Yes，然后點(diǎn)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，最后開始模擬。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。Increasing the Resolution of the FFT 提高FFT的分辨率要分析波長光譜，可以View Graphs 按鈕，選擇ring_pulse.pwm文件，顯示如下圖，譜線態(tài)粗糙了，可以通過設(shè)置更大的stop time值來提高譜線光滑度。下圖為Stop Time設(shè)為 215*fdtd_time_step時(shí)的結(jié)果。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，我們將分析共振器在波長為1.977 m的情形。D點(diǎn)擊Edit Global Settings按鈕，設(shè)置Free Space Wavelength： 1.977。點(diǎn)擊Perform Simulation 按鈕，將激發(fā)模式 Excitation 設(shè)為 CW，同時(shí)將Stop Time 設(shè)為214*fdtd_time_step，輸入一個(gè)新的輸出文件前綴Output File Prefix，如 ring_cw。模擬結(jié)構(gòu)如下圖所示。上圖連續(xù)激發(fā)CW 模擬結(jié)果與脈沖激發(fā)所預(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(jì)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 光子帶隙）這個(gè)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(jì)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(shí)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(gè)模擬過程將進(jìn)行兩次計(jì)算，分別對(duì)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 晶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)晶格的創(chuàng)建菜單Utility/Array Layout XZLattice Customization 定制晶格點(diǎn)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(duì)折射率分布點(diǎn)擊Display Index Profile按鈕，設(shè)置Display Mode 為 ContourMap (XZ)， Compute Step in X and Z 為 0.02， Slice Step in both X and Z 為Compute Step。點(diǎn)擊OK后，結(jié)果見下圖。Inserting Tim