Rsoft軟件簡介和使用

1、目錄Rsoft簡介2Chapter7Tutorials第七章教程4Tutorial1:RingResonator教程1:環(huán)形共振器4DeviceLayout:器件結構：4DefiningVariables定義變量5DrawingtheStructure畫器件結構圖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12IncreasingtheResol

2、utionoftheFFT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)建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數據分析22TM模23Sw

3、itchingPolarization改變偏振為PeriodicBoundaryConditionSetUp24Tutorial3:PBGCrystal:TeeStructure教程3:PBG晶體：T型結構24Tutorial4:PBGCrystal:DefectMode教程四：PBG晶體：缺陷模型24Rsoft簡介包括BeamPROP、FullWAVE、BandSOLVE、GratingMOD、DiffractMOD、FemSIM,以與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

4、用先進的有限差分光束傳播法(finite-differencebeampropagationmethod)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，如：數值參數、輸入場以與各種顯示、分析功能選項。另一功能為模擬程序，它可以在主程序內或獨立執(zhí)行模擬分析工作，以圖形方式顯示域的特性以與用戶感興趣的各種數值特性。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，RSo

5、ft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CADLayout系統(tǒng)，用來設計光波導組件與光路，亦即BeamPROP與FullWAVE共享同一個CADLayout程序。BandSOLVE:是目前世界上唯一一套商用的光子晶體能帶結構模擬分析設計軟件。集成了CAD和仿真功能，可以對所有光子晶體部件的能帶結構進展自動的計算，包括:二維或三維的光子晶片和波導，二維或三維的腔體結構問題以與光子晶體光纖。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構(D

6、esign)，亦可藉由量測或已它適合用來分析光柵結構(Design),亦可藉由量測或頻譜一決定該光柵之特性(Synthesis)。知頻譜一決定該光柵之特性(Synthesis)。GratingMOD可以設計分析任何波導橫向結構(TransverseGratingMOD可以設計分析任何波導橫向結構(TransverseProfile)，因為它使用BeamPROP的CAD繪圖界面設計光柵結構，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構，并采用正交藕合模(OrthogonalCoupled-ModeTheory)與轉移矩陣法(

7、TransferMatrixMethod)有效地分析光柵特性。Coupled-ModeTheory)與轉移矩陣法(TransferMatrixMethod)有效地分析光柵特性。GratingMODGratingMOD可定義周期性縱向微擾(PeriodicLongitudinalPerturbation)以產生縱向光柵結構?？啥x周期性縱向微擾(PeriodicLongitudinalPerturbation)以產生縱向光柵結構。其使得GratingMOD其使得GratingMOD適用於2D/3D的模擬，且運算速度較Bi-DirectionalBPM更快速。適用于2D/3D的模擬，且運算速度較B

8、i-DirectionalBPM更快速。DiffractMOD:適用于繞射光學結構-例如：繞射光學元件、次波長周期性結構、光子能隙晶體的模擬設計軟體。元件、亞波長周期性結構、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(fastFourierfactorization)與泛用傳輸線公式(generalizedtransmissionlineformulation)-的嚴格藕合波分析(RigorousCoupledWaveAnalysis-RCWA)技波分析(Rigorous洲ICoupledWaveAnalysis-RCWA)技巧。它可以準確有效地模擬-具有任意網格

9、結構它可以準確有效地模擬-具有任意網格結構與根本單元折射率剖面的2D/3D結構，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結構，并能分析介電(dielectric)、色散(dispersive)與耗損(lossy)等材料結構。材料結構。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

10、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準確定義與全參數化的設計模型環(huán)境。DiffractMOD中的繞射結構布局，可直接選用FullWAVE(FDTD)進展時域響應(time-domainresponse)模擬，或選用BandSOLVE(PWE)進展能帶結構分析(bandstructureanalysis)。FemSIM:運用有限元素法(FEM-FiniteElementMethod)的泛用光子元件解模器(modesolve

11、r)，透過非均勻網格(non-uniformmesh)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(highindexcontrast)與smallfeaturesizes的元件結構。耗損結構(Lossystructures)。硅晶元件(例如：絕緣層上硅晶-SOIs-SilicononInsulator)。極化旋轉器(Polarizationrotators)。空心或實心光晶光纖(Airorsolidcorephotonicfibers)。雷射與光能隙晶體之缺陷與腔體(La

12、serandPBGdefectcavities)。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)完整的參數空間便顯得不可或缺。這可能牽涉到對適宜X圍參數空間的系統(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可簡化參數掃描與優(yōu)化的定義、計算與分析。掃描與優(yōu)化的定義、計算與分析。Chapter7Tutorials第七章教程所有

13、的教程都在Rsoft安裝目錄(EXAMPLESFULLWAVETUTORIA)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)建與分析。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展連續(xù)模擬CWsimulation。DeviceLayout:器件結構:我們接下來要模擬的環(huán)

14、形共振器為寬為0.2m、折射率為3的波導，其共振波長約為2m。步驟：1、打開RSoftCAD-Layout2、點擊創(chuàng)建新結構按鈕NewCircuiticon旦3、設置如下參數見如下圖：FreeSpaceWavelength:2;WaveguideWidthDefiningVariables定義變量單擊EditSymbols按鈕Gap=0.2L=0.5R=1.7R1=R-width/2R2=R+width/2.BackgroundIndex:1;IndexDifference:2DrawingtheStructure畫器件結構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：1、從

15、菜單中選擇Options/Insert/Lens:2、設置WaveguideWidth:2*R2,FrontRadius:R2,BackRadius:-R2;3、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:backgrou

16、nd_index+delta.,在右邊畫個段4、接下來局部做一個buswaveguides：點擊SegmentMode按鈕狀波導，參數設置如下列圖:PropertiesforSegmentS3Slru或lieType:Default|PositionTaper:HoneTSsimbols.iimiirainPiofifeTjpe；Dahult_*jIridesTaper:None二|L叫匕此一.CancelCombineMoris.DefaultWidthTaper:None亍-1T日WidthMensues:DXault，HeighJTaper;Hone/ArcU.SegOrienhlion

17、c£AxisyPosT叩成:NoneProfiles.More.StarliriQVartsuEndingVertesIinjenDiffererice：|deltaIridesPiflerence：|detalnde«間她口邪：alphaIrdew|imagpart):|alphaWaveguideWidth'|網卅WaveguideWidth;1widthWaveguideHeight|heightWaveguideHfeighl：|height丫Positioncfo?P口南。nc|0K2-X；2；|R2+G4ip+width/2l-RZ-L|21|：3Ref

18、erenceTpe:*NoneC口臉LAnglePaianwterValue.ReferenMTpa:'*NonsrOffsetLAnflleParameterValue:RefeperceTypeLNoneOffsetLArifllePaarrelerValue:ReferencsTyg-None企OlhetLAngleP瑚占meterValue.RelerenceToeComponeril:'Vertac1口ReferenceTo：Componerit'|nVertex|oRefeienceTo：匚wipciheM:Veftex;|o|T(F|2+L|Referen

19、ceTaComponeril:何一Vertex：何一5、復制一個條形波導，參數設置如如下圖所示:StiuclureTpe：|口耐日偵PositionTaper:NoneProfileType：|oekdt7IndeKTap&r：Nore3ConibineMode:WidthTaperNoneVrithMeasure:|odaultHeight甘口凱:NoneSecrientation:zAxisYPosTaperNoneJMFroper"tie$orSef#4Symbols.|i旅nLayers.Cancel|Tapers.ArtData.Profiles.MaieSi司li

20、ngEndingV&rtwIndexDiffer已ncmIndexDifference:d咨I舊Index(imagpart):alphaIndexinnagparlj：alphaV/eveguideWidth：fwidthWaveguideWidth-|vjidthWaveguideHeighl|heigkitWaveguide：HeightheightYPoitior:|oYPositioiv6Xz：z：R2-Gap-widlhZ2PR2L|21|2.3ReferenceT>pe:,r*NoneCOffsetLAngleParameteiValue:RefeienceType

21、:HoneOffset"AnglePaiam血Value:FieferenccType:None'*OffsetLAngleParameterValue:ReferenceTvpe:NoneaOffset"AngleParareteiVlue:nI1|0|尸舊2陽ReferenceTo：Ccmporient:VerierReFefBnceTo：Ccmporent;VotIbkftelerenceToeComponent:Vertex|0ReferenceTo：Comfion&rt;廠VertesfIq1CheckingtheIndexProfile核對折射率

22、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),設置參數如下列圖:點擊Ok按鈕后，出現(xiàn)如下圖描述的折射率分布情況第二個圓盤優(yōu)先級別更高：dfttMnmOP-CoiHpuLjlkjnCs.Wod-杰Z63S«F血EdrtView心HelpJOMJXprmjAddingTimeMonitors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：1、選擇菜單Options/Insert/

23、TimeMonitor:2、選擇監(jiān)視器，復制一個，設置參數如如下圖所示:3、最后器件的結構如下列圖:Simulation:PulsedExcitation模擬：脈沖激發(fā)/頻率光這局部討論環(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(I，點NewPathway按鈕New,左擊左邊條狀波導，它Field按鈕U的顏色變成亮的綠色，點擊OK。此時，我們已經建立一個Pathway#1,單擊EditLaunch,注意設置LaunchPathway序號為1.L

24、aunchType為SlabMode，點擊OK,返回CAD窗口。Wavelength/FrequencySpectrum波長/頻率光譜點擊PerformSimulation按鈕R口I,設置模擬參數.時間步長TimeStep設置足夠小以滿足柯朗穩(wěn)定性條件Courantstabilitycondition，在空間網格尺寸GridSize為0.02(im,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D

25、isplay按鈕，設置OutlineColor為黑色Black。按下OK后，最后開始模擬。模擬完畢后，結果如如下圖所示，其中下方曲線圖為來自timemonitors的結果。JullTAVE-Coaputat±onCoBpleted回區(qū)FileEdilB冊RunK«1PContourMapofEy1.0-3-2-101X(Lin)X：Ci11551Y：-5.93nnIncreasingtheResolutionoftheFFT提高FFT的分辨率要分析波長光譜，可以ViewGraphs按鈕選擇文件，顯示如如下圖,MonitorT/涔,-CM。iOverlap,-2.1.0.Fi

26、Dvftrlp,(21.0.-13|J.o86420I-ooooo.rrs當ra>JOWQIAImle)翌-I2UOWMonitorTpe,Locsti&ri：3伯lap.(-2LE)Overlap,024Wavelength(iun)123Wav巳length(iim)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。如下圖為StopTime設為2A5*fdtd_time_step時的結果。1.21.00.80,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

27、分析共振器在波長為1.977m的情形。D點擊EditGlobalSettings按鈕|營|,設置FreeSpaceWavelength：。點擊PerformSimulation按鈕，將激發(fā)模式Excitation設為CW,同時將StopTime設為2A14*fdtd_time_step，輸入一個新的輸出文件前綴OutputFilePrefix，如ring_cw。模擬結構如如下圖所示。譽FtiIIIAVE-GowpnitationCompletedContourMapofEyFileEditViewRunHelp1-1TJI.cT=221.13I11100cT(ujtiJ200X8.192Y:2

28、.1633上圖連續(xù)激發(fā)CW模擬結果與脈沖激發(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到輸出波導。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，我們容易能獲得器件的光譜響應與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。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

29、將進展兩次計算，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)建所需的四方晶格。BaseLatticeGeneration基準晶格的創(chuàng)建菜單Utility/ArrayLayoutXZLatticeCustomization定制晶格,設置背景折射率BackgroundIndex為1,折射率差點擊EditGlobalSettings按鈕|'UIndexDifference為GaAs，偏振Polarization為TE,自由空間波長FreeSpaceWav

30、elength為。按OK關閉窗口。設置變量Period=0.6m,Radius=0.18CheckingtheIndexProfile核對折射率分布點擊DisplayIndexProfile按鈕!=!，設置DisplayMode為ContourMap(XZ),puteStepinXandZ為,SliceStepinbothXandZ為puteStep。OSiBTilation.Parameters-ComputeIndexProfileXDomainMin:DomainCompute5tep:SiceStepMoriiloiStep:Cuf&ntValue-bound|0.02UseV

31、alueDekprwFtwetrroohrCurrentDhuhUseCutrerlValueValueDelsValuep|CenlBt|jR|Centalp-f-P0i02DefaultUseValue|牛丁R侶污|r02ITT!"gl_r廠廠EshrriatedTme:0.000imirSymbals.|ContourKlap成|_yjUi年廚Output.1Displ33)Mode:CdtputFileFrehx:SaveSettingsOKCancel點擊OK后，結果見如下圖。InsertingTimeMonitors插入時間監(jiān)視器菜單Options/Insert/Time

32、Monitors，設置timeMonitorType為DefaultField,TimeAverage為No,FrequencyAnalysis為FFT。LaunchSetUp激發(fā)場設置點擊EditLaunchField按鈕,設置LaunchType為Gaussian,LaunchWidth為0.2*PeriodX,LaunchPositionX為0.34*PeriodX。Simulation模擬點擊PerformSimulation按鈕HI,如下表與圖所示設置參數。StopTime2A16*fdtd_time_stepUpdateTime100*fdtd_time_stepExcitationPulse