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Rsoft软件简介和使用


目录
Rsoft 简介 ................................................................................................................................... 3 Chapter 7 Tutorials 第七章 教程 .............

.................................................................................. 5 Tutorial 1: Ring Resonator 教程 1:环形共振器 .................................................................... 5 Device Layout: 器件结构:............................................................................................... 5 Defining Variables 定义变量 ............................................................................................. 6 Drawing the Structure 画器件结构图................................................................................ 6 Checking the Index Profile 核对折射率分布 .................................................................... 9 Adding Time Monitors 添加时间监视(探测)器 ........................................................10 Simulation: Pulsed Excitation 模拟:脉冲激发 .....................................................................12 Launch Field 激发场 ........................................................................................................12 Wavelength/Frequency Spectrum 波长/频率光谱 ..........................................................12 Increasing the Resolution of the FFT 提高 FFT 的分辨率 .............................................14 Simulation: CW Excitation 模拟:连续激发.........................................................................16 Tutorial 2: PBG Crystal: Square Lattice 教程 2:PBG 晶体:四方晶格 ..........................17 Lattice layout 晶格布局 ...........................................................................................................17 Base Lattice Generation 基准晶格的创建 ......................................................................17 Lattice Customization 定制晶格 ......................................................................................18 Checking the Index Profile 核对折射率分布 ..................................................................18 Inserting Time Monitors 插入时间监视器 ......................................................................19 Launch Set Up 激发场设置 ............................................................................................20

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Simulation 模拟 ........................................................................................................................21 Data Analysis 数据分析 ...........................................................................................................22 Switching Polarization 改变偏振为 TM 模 .....................................................................23 Periodic Boundary Condition Set Up .......................................................................................24 Tutorial 3: PBG Crystal: Tee Structure Tutorial 4: PBG Crystal: Defect Mode 教程 3:PBG 晶体: T 型结构.....................24 教程四:PBG 晶体:缺陷模型 ....................24

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Rsoft 简介
包括 BeamPROP、FullWAVE、BandSOLVE、GratingMOD、DiffractMOD、 FemSIM, 以及 MOST 软件。以下是 Rsoft 各个模块的介绍: BeamPROP :是一个高度集成了计算机辅助设计和模拟仿真的专业软件,专用于设计 集成光学波导元件和光路。此软件使用先进的有限差分光束传播法 (finitedifference beam propagation method)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。其主程序为一套完善的用于设计光波导元件和光路 CAD 设计系统,且可 控制相关的模拟参数,如:数值参数、输入场以及各种显示、分析功能选项。另一功能为 模拟程序,它可以在主程序内或独立执行模拟分析工作,以图形方式显示域的特性以及用 户感兴趣的各种数值特性。 FullWAVE:是一高度整合之复杂光子组件仿真设计分析软件,它使用-有限差分时域之 模拟分析方法,藉以分析一般光束传播法所无法建立模型分析的光子组件,例如光晶体与 环状共振器等。因此,RSoft 公司所开发的 BeamPROP 与 FullWAVE 软体,两者实际上是 具有互补之作用。其主控程序为 BeamPROP 之 CAD Layout 系统,用来设计光波导组件及 光路,亦即 BeamPROP 与 FullWAVE 共享同一个 CAD Layout 程序。 BandSOLVE: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。集 成了 CAD 和仿真功能,可以对所有光子晶体部件的能带结构进行自动的计算,包括:二维或 三维的光子晶片和波导,二维或三维的腔体结构问题以及光子晶体光纤。 GratingMOD:用以设计并分析在光纤/波导光栅元件之应用软件。 体。其对于发展 WDM 与 DWDM 特别有助益。 它适合用来分析已知光栅结构(Design),亦可藉由量测或已 它适合用来分析已知光栅结构(Design),亦可藉由量测或已知频谱-决定该光栅之特性 (Synthesis)。知频谱-决定该光栅之特性(Synthesis)。 GratingMOD 可以设计分析任何波导 横向结构(Transverse GratingMOD 可以设计分析任何波导横向结构(Transverse Profile),因 为它使用 BeamPROP 的 CAD 绘图界面设计光栅结构,并采用正交藕合模态理论 (OrthogonalProfile),因为它使用 BeamPROP 的 CAD 绘图界面设计光栅结构,并采用正交 藕合模(Orthogonal Coupled-Mode Theory) 与转移矩阵法(Transfer Matrix Method)有效地分析 光栅特性。 Coupled-Mode Theory)与转移矩阵法(Transfer Matrix Method)有效地分析光栅特 性。 GratingMOD GratingMOD 可定义周期性纵向微扰(Periodic Longitudinal Perturbation)以 产生纵向光栅结构。 可定义周期性纵向微扰(Periodic Longitudinal Perturbation)以产生纵向 光栅结构。 其使得 GratingMOD 其使得 GratingMOD 适用於 2D/3D 的模拟,且运算速度较 Bi-Directional BPM 更快速。适用于 2D/3D 的模拟,且运算速度较 Bi-Directional BPM 更快 速。 DiffractMOD:适用于绕射光学结构-例如:绕射光学元件、次波长周期性结构、光子能
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隙晶体的模拟设计软体。元件、亚波长周期性结构、光子能隙晶体的模拟设计软体。 DiffractMOD 运用包含快速傅立叶分解(fast Fourier factorization)与泛用传输线公式 (generalized transmission line formulation) -的严格藕合波分析 (Rigorous Coupled Wave Analysis - RCWA)技波分析(Rigorous 洲 Coupled Wave Analysis RCWA)技巧。 它可以精确有效地模拟- 具有任意网格结构 它可以精确有效地模拟-具有任 意网格结构与基本单元折射率剖面的 2D/3D 结构,并能分析介电(dielectric)、色散 (dispersive)与耗损(lossy) 等与基本单元折射率剖面的 2D/3D 结构,并能分析介电 (dielectric)、色散(dispersive)与耗损(lossy)等材料结构。 材料结构。 再者, 使用者可弹性控 制入射方向(incident direction) 与照度极化(polarization of 再者,使用者可弹性控制入射方向 (incident direction)与照度极化(polarization of illumination) 以完成模拟。illumination)以完成 模拟。DiffractMOD 与其他 RSoft 所开发BeamPROP 、 FullWAVE 、 BandSOLVE 、 GratingMOD 等元件 模拟软体共用 CAD 布局 界面 。软体共用 CAD 布局界面 。此 CAD 界面提供 任意轮廓的精确定义与全参数化的设 计模型环境。DiffractMOD 中的绕射结构布局,可直接选用 FullWAVE (FDTD)进行时域响应 (time-domain response)模拟,或选用 BandSOLVE (PWE)进行能带结构分析 (band structure analysis) 。 FemSIM:运用有限元素法(FEM- Finite Element Method)的泛用光子元件解模器 (mode solver),透过非均匀网格(non-uniform mesh)可用来计算任意元件中的任何横切 (transverse)与腔体(cavity)模态纪录。应用:可分析任何形状的元件-包含弯曲与罕见的形 状。高度混合型元件-具高折射率对比(high index contrast)与 small feature sizes 的元件结构。 耗损结构(Lossy structures) 。硅晶元件(例如:绝缘层上硅晶- SOIs- Silicon on Insulator)。极化 旋转器(Polarization rotators)。空心或实心光晶光纤(Air or solid core photonic fibers)。雷射与 光能隙晶体之缺陷与腔体(Laser and PBG defect cavities)。 MOST:用以优化设计分析光电元件之软体模组。以优化设计分析光电元件之软体模 组。初阶的光子模型建立基本上牵涉到模拟,借以探究问题的相关物理特性;对於元件制造 的设计周期而言,了解系统完整的参数空间便显得不可或缺。性;对于元件制造的设计周期 而言,了解系统完整的参数空间便显得不可或缺。这可能牵涉到对合适范围参数空间的系 统搜寻与多重维度的自动优化。 空间的系统搜寻与多重维度的自动优化。做为 RSoft 光子 元件模拟软体的自动优化模组,MOST 可简化参数扫描与优化的定义、计算及分析。扫描 与优化的定义、计算及分析。

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Chapter 7 Tutorials 第七章 教程
所有的教程都在 Rsoft 安装目录 (EXAMPLES\FULLWAVE\TUTORIA) 下可以找到原型 实例。

Tutorial 1: Ring Resonator 教程 1:环形共振器
本部分讨论环形共振器的创建与分析。环形共振器是一种应用广泛的高 Q 值波长滤波 器。 首先介绍器件的布局与设置,然后讨论脉冲分析(a pulse analysis)。脉冲计算 (pulsed calculation)可以产生一个光谱响应,让分析器件的光谱特性,从而可以回避在连 续模式下(CW)对整个波长的参数扫描,节省分析时间,提高分析效率。最后,我们对 器件的某一共振波长进行连续模拟(CW simulation)。

Device Layout: 器件结构:
我们接下来要模拟的环形共振器为宽为 0.2 ? m 、折射率为 3 的波导,其共振波长约为 2 ?m。 步骤: 1、 打开 RSoft CAD-Layout:

2、 点击创建新结构按钮(New Circuit icon) 3、 设置如下参数(见下图): Free Space Wavelength: 2; Waveguide Width :0.2;

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Background Index:1;Index Difference : 2

Defining Variables 定义变量

单击 Edit Symbols 按钮 Gap = 0.2 L = 0.5 R = 1.7 R1 = R-width/2 R2 = R+width/2.

Drawing the Structure 画器件结构图
我们将作圆形的波导(环):首先画个圆盘,然后在其中间挖个洞。
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步骤: 1、 从菜单中选择 Options/Insert/Lens: 2、 设置 Waveguide Width: 2*R2,Front Radius : R2 , Back Radius: –R2;

3、 中心挖洞:Select Mode icon,左击画好的圆盘(Lens #1),左击 Duplicate Selection 按钮,右击圆盘(Lens #2). 设置 Waveguide Width:2*R1, Front Radius:R1, Back Radius:–R1 and the Index Difference: 0;点击对话框中的 More 按钮, 设置 Display Color:Yellow, Priority Level:1, Background Index: background_index+delta.

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4、 接下来部分做一个 bus waveguides:点击 Segment Mode 按钮 状波导,参数设置如图所示:

,在右边画个段

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5、 复制一个条形波导,参数设置如下图所示:

Checking the Index Profile 核对折射率分布

为了查看器件各部分折射率分布,点击 Display Index Profile 按钮 Display Mode 为 ContourMap(XZ),设置参数如图所示:

,选择显示模式

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点击 Ok 按钮后,出现下图描述的折射率分布情况(第二个圆盘优先级别 更高):

Adding Time Monitors 添加时间监视(探测)器
接下来将在器件中插入时间监视器,为后面分析做准备。 我们将用两个监视器来测量 场透射和衰减(transmitted and dropped)情况。 步骤: 1、 选择菜单 Options/Insert/Time Monitor:

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2、 选择监视器,复制一个,设置参数如下图所示:

3、 最后器件的结构如图所示:

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Simulation: Pulsed Excitation 模拟:脉冲激发
这部分讨论环形共振器的模拟和分析。我们将首先计算该共振器的一个波长/频率光 谱,然后模拟器件工作在共振波长下场的分布情况。

Launch Field 激发场
设置激发场的空间特征和时间特征。

点击 Edit Pathways 按钮

,点 New Pathway 按钮

, 左击左边条状波导,它

的颜色变成亮的绿色,点击 OK。此时,我们已经建立一个 Pathway #1,单击 Edit Launch Field 按钮 ,注意设置 Launch Pathway 序号为 1. Launch Type 为 Slab Mode ,点击

OK,返回 CAD 窗口。

Wavelength/Frequency Spectrum 波长/频率光谱

点击 Perform Simulation 按钮

,设置 模拟参数. 时间步长 Time Step 设置足够小以

满足柯朗稳定性条件(Courant stability condition), 在空间网格尺寸( Grid Size )为 0.02 ?m ,我们可以设置时间步长为 0.0135。

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接下来,点击 Output… 按钮,在 FDTD Output Options 窗口设置输出选项,确认 me Monitor 和 Wavelength Monitor,和 Frequency Monitor 设为 Yes,然后点击 OK 按钮关闭窗 口。

接下按 Display… 按钮,设置 Outline Color 为黑色 Black。按下 OK 后,最后开始模 拟。 模拟结束后,结果如下图所示,其中下方曲线图为来自 time monitors 的结果。

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Increasing the Resolution of the FFT 提高 FFT 的分辨率

要分析波长光谱,可以 View Graphs 按钮 图,

,选择 ring_pulse.pwm 文件,显示如下

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谱线态粗糙了,可以通过设置更大的 stop time 值来提高谱线光滑度。下图为 Stop Time 设为 2^15*fdtd_time_step 时的结果。

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Simulation: CW Excitation 模拟:连续激发
通过脉冲激发模拟,我们可作出环形共振器的波长光谱。在连续激发下,我们将分析 共振器在波长为 1.977 ?m 的情形。D

点击 Edit Global Settings 按钮

,设置 Free Space Wavelength: 1.977。

点击 Perform Simulation 按钮,将激发模式 Excitation 设为 CW,同时将 Stop Time 设 为 2^14*fdtd_time_step,输入一个新的输出文件前缀 Output File Prefix,如 ring_cw。模拟 结构如下图所示。

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上图连续激发 CW 模拟结果与脉冲激发所预言相一致。我们看出在波导中电场能量 逐 渐增强,最后电磁场几乎全部传输到输出波导。因此,通过利用脉冲激发和连续激发两种 类型的模拟计算,我们容易能获得器件的光谱响应及其工作在共振波长的电场场传播情 形。

Tutorial 2: PBG Crystal: Square Lattice 教程 2:PBG 晶体:四方晶格
(PBG: photonic-bandgap 光子带隙) 这个教程主要介绍光子晶体晶格(四方晶格为例)作图,然后利用 FDTD 方法分析这 些晶格的光学性质。 我们将计算此光子晶体的光谱响应,从而揭示存在光子带隙。分析过 程采用时间响应谱的傅立叶变换来获得系统的频率响特性。整个模拟过程将进行两次计 算,分别对应于两种边界条件:完美匹配层边界条件 PML;周期性边界 条件。

Lattice layout 晶格布局
建立晶格的方法有多种,接下来我们采用 Array Layout XZ utility 工具来创建所需的四 方晶格。

Base Lattice Generation 基准晶格的创建
菜单 Utility/Array Layout XZ

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Lattice Customization 定制晶格
点击 Edit Global Settings 按钮 ,设置背景折射率 Background Index 为 1,折射率差

Index Difference 为 2.4(GaAs) ,偏振 Polarization 为 TE,自由空间波长 Free Space Wavelength 为 Period/0.45。按 OK 关闭窗口。

(设置变量 Period= 0.6 ?m,Radius=0.18)

Checking the Index Profile 核对折射率分布

点击 Display Index Profile 按钮

,设置 Display Mode 为 ContourMap (XZ), Compute

Step in X and Z 为 0.02, Slice Step in both X and Z 为 Compute Step。

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点击 OK 后,结果见下图。

Inserting Time Monitors 插入时间监视器
菜单 Options/Insert/Time Monitors…,设置 time Monitor Type 为 Default Field ,Time Average 为 No,Frequency Analysis 为 FFT。

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Launch Set Up 激发场设置

点击 Edit Launch Field 按钮

,设置 Launch Type 为 Gaussian, Launch Width 为

0.2*PeriodX,Launch Position X 为 0.34*PeriodX。

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Simulation 模拟
点击 Perform Simulation 按钮 Grid Size in X 0.02 Grid Size in Z 0.02 Time Step 0.01 Stop Time 2^16*fdtd_time_step ,如下表及图所示设置参数。 Update Time 100*fdtd_time_step Excitation Pulsed Pulse Time lambda/2 Source Offset 0.234*PeriodZ

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点击 Output…按钮,设置参数如下图示。

Data Analysis 数据分析
当模拟计算结束后,点击 WinPLOT 按钮(或从开始菜单打开 WinPLOT 程序),打开 文件 square_pbg_te.pfm

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具体设置过程略(见 FullWAVE 教程 P98),结果如下图。其中光子带隙 PBG 已经标 出。

PBG

Switching Polarization 改变偏振为 TM 模

点击 Edit Global Settings 按钮

,设置 Polarization 为 TM。

点击 Perform Simulaition 按钮 结果如图所示。

,设置 Output File Prefix 为 square_pbg_tm。

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Periodic Boundary Condition Set Up

Tutorial 3: PBG Crystal: Tee Structure 教程 3:PBG 晶体: T 型结构 Tutorial 4: PBG Crystal: Defect Mode 教程四:PBG 晶体:缺陷模型

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