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OptiFDTD软件实验报告


集成光路仿真实验
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2011/6/22

OptiFDTD 软件介绍 OptiFDTD 是一个强大、高结合度且人性化界面的应用软件,它可使用计算机设 计及仿真先进的被动组件和非线性光电组件。 OptiFDTD 程序的核心是根据有 FDTD(Finite Difference

Time Domain) 限差分时域演算法,其具备二阶数值精准度 及最先进的边界条件 - 单轴完美匹配层。这个演算法解决了使用马克斯威尔微分方 程序在时间及空间领域的电场及磁场。它准许任意的几何图形及没有组件材质的限 制。 OptiFDTD 让你可以设计、分析及测试先进被动组件和非线性光电组件中的波的 传递、散射、反射、绕射、偏振及非线性现象。 具备多文档的组件布局设计模块拥有友善的图形界面以供设计光电组件,而且也 是使用者的工作平台,在工具栏及主要菜单中有包括简单的波导设计工具、编辑及操 控工具、特殊布局区。除了通用剪下、复制、贴上之外,还可以在网状的布局区上做 撤消、重复步骤、交换重叠组件、折断组件的动作,另外还可以看组件的工作面积, 组件布局设计模块虽默认的设置及颜色,然而这都是可客制化的。你可以写下描述布 局区的公式,内建一串的分析器可辨识基础的数学运算及标准公式来翻译公式,在光 学照相光罩的制程中标准文件的格式 (DXF and GDSII) 可以经由组件布局设计模块 来输出。 这个强大的功能给予你高阶的控制, 使你可以自动化 OptiFDTD 完成冗长的仿真 但不须你的在场,这脚本的功能已被集成成使用者图形界面,并准许在布局及脚本间 简单地的转换。你将有这些好处 快速而简单地转换任何布局或其中一部份成为脚本 创造自己的脚本函式库,其代表了特殊的组件,并可以提供在任何新的 布局设计 简单地复制最复杂的设计而不须在图形界面地操作 强大的后序信息处理 模态分析 频谱分析 场图分析 远场转换 重叠积分计算 观察面积、线、点的特别计算 强大的图形有 3D 透视图功能

实验一:使用 OptiFDTD 软件对输入波的安装
实验步骤: 1、 创建布局 (1)打开 OptiFDTD Waveguide Layout Designer。创建新的项目,选择 File > New. (2)点击 Profiles and Materials.在 Materials 文件下,右击 FDTD-Dielectric 文 件,选择 New.输入以下参数(如图所示) , (3)点击 Store.

2、 定义通道剖面 (1)在 Profiles 文件下, 右击 Channel 文件,选择 New.输入以下参数定义通道剖面(如 图所示) (2)点击 Add.

3、 定义晶片和波导的性质 在 Initial Properties 对话框中,根据给定的参数输入。 4、 创建 PBG 晶体构造 (1) 在 Draw 菜单下,选择 PBG Crystal Structure. (2)在布局窗口点击,创建 PBG 区域 (3)设臵 PBG 性质,双击在布局窗口的 PBG Crystal Structure。

5、 设臵原子的性质 (1)在 Atom Waveguide in Unit Cell, Add New, 从下拉菜单中选择 Elliptic Waveguide, 选择 New. (2)在 In Center, Offset, 输入以下参数(如图所示) (3)点击 OK,关闭 The Elliptic Waveguide Properties 对话框 (4)点击 OK ,关闭 Crystal Lattic Properties 对话框。

6、 设臵 band solver 仿真参数。 (1)从 Simulation 菜单中,选择 2D Band Solver Parameters. (2)输入以下参数(如图所示)

(3)点击 Run,开始 OptiFDTD_BandSolver

实验心得: 通过本次实验,我对 OptiFDTD 软件有了一个初步的了解。也深入的了解到怎样构建 一个输入波。为以后的打下了坚实的基础。

实验二:熟悉集成光学仿真设计软件之一:OptiBPM v9.0
实验步骤: 1.定义物质 (1)从 File 菜单下, 选择 New。原始的性能会话窗口出现,如下图所示:

( 2 ) 点 击 Profiles And Materials 。 Profile Designer 设 计 窗 口 出 现 (3)在 Mater 子目录下,右击 Dielectric folder,点击新建,出现 Dielectric1 会话窗 口。命名为 Silica Core,修改相应的参数并保存。

(4)重复第 3)步,命名为 Silica Cladding,修改相应的参数并保存。 2.定义 2D 和 3D 通道文件 (1)在 OptiBPM_Designer1 软件里, Profiles folder 的子目录下, 右击 Channel folder, 点击新建。命名为 ChannelPro1 并修改相应参数如下所示: (2)在 Profiles folder 子目录下,右击 Fiber folder,保持命名 FiberPro1 并修改相应 参数如下所示:

3.定义 layout 的各项设臵 (1)对 Initial Properties 会话窗口进行设臵各项。

(2)设臵完成后,工程设臵窗口出现:

4.建立一个基本的工程 (1)在 Tools 工具栏中, 选择 Snap-to-Grid 。

(2) 从 Draw 菜单中, 选择 Linear Waveguide (直线波导) 和弯曲波导, 并在 project layout 窗口中进行绘制。 (3)为了编辑波导的设臵,在 Edit 菜单中,选择 Properties,或者在 layout 窗口中右击波 导。 编辑后的波导如下所示:三维光波导如下:

5.嵌入 input plane (1)从 Draw 菜单中选择 Input Plane,或者点击 Input Plane 按钮,插入后进行相应的编 辑。

(2)输入你想要的光波导模式,点击 Calc. Mode ,modesolver 就会启动。

6.运行仿真 ( 1 )从 Simulation 菜单中,选择 Calculate 3D Isotropic Simulation , Simulation Parameters 会话框出现。

(2)点击 Run,来运行仿真。

(3)点击下拉菜单, Iteration > Optical Field Propagation > XZ Slice 来观察仿真 软件的运行,点击 Data View 工具中的 Ph 按钮,窗口中出现 XZ 方向上的相位分布。

7.选择 Master library 的保存途径 (1)从 Tools 菜单中选择 Options (2)选择你想要保存 Master library 的文件夹,点击。文件的下拉浏览菜单出现:

实验心得: 本次实验我熟悉集成光学仿真设计软件之一:OptiBPM v9.0。基本上可以熟练的运用 该软件。 实验中对直线波导和弯曲波导进行了仿真, 使得我对波导有了一个直观的深刻的了 解。

实验三:一个简单的多模干涉(MMI)耦合器的设计
实验步骤: 1.定义 MMI 耦合器的物质 (1)从 File 菜单中,选择新建。在出现的窗口的点击 Profiles And Materials,Profile Designer 窗口出现。 (2)分别在相应的文件夹下创建名为 guide 和 cladding 的介质材料及名为 guide-channel 的 通 道 , 修 改 相 应 指 数 并 保 存 。

(3)关闭 Profile Designer 窗口。 2.定义 layout 的各项设臵 (1)对 Initial Properties 会话窗口进行设臵各项。

(2)点击 OK 使相应设臵得到应用,layout 窗口出现。

(3)为了使 layout 的显示比例合适, 在 Preferences 菜单中点击 Layout Options 进行相关 设 臵 , 设 臵 完 成 后 合 适 比 例 的 layout 出 现 。

3.创建 MMI 耦合器 (1)在 Draw 菜单中,选择 Linear 波导在 layout 窗口中嵌入。选择 Edit 菜单中的 Properties 进行波导参数的编辑。

(2)设臵第二个波导的位臵和形状

4.嵌入 input plane (1)在 Draw 菜单中选择 Input Plane,嵌入进 layout window 窗口中。 (2)从 Edit 菜单中选择 Properties 进行 Input Plane 的相关设臵,并保存。

5.运行仿真软件 (1)从 Simulation 菜单中选择 Calculate 2D Isotropic Simulation 并进行相关设臵。

( 2 )点击 Run 来运行仿真, OptiBPM_Simulator 出现,仿真开始。相应仿真图如下

6.在 OptiBPM_Analyzer 软件中观察仿真结果 (1)在 OptiBPM_Analyzer 中双击 Optical Field Propagation 来观察和分析光场图形。 (2)点击 XZ Slice,仿真结果的光场图形出现。

OptiBPM_Analyzer — Optical Field Propagation (3) 在 OptiBPM_Analyzer 中双击 Refractive Index Propagation 来观察和分析相应指数图形。 (4)点击 XZ slice,相应指数图形出现。

OptiBPM_Analyzer — Refractive Index Propagation

实验心得: 这次实验,使集成光路这门课的一些理论知识与实践相结合,更加深刻了我对集成光 路这门课的认识,巩固了我的理论知识。

实验四:一个单一弧形波导结构的设计
实验步骤: 1.弯曲波导材料设臵 1)新建电解质材料,并设臵以下参数:Name: guide;Re: 1.45

2)新建第二个电解质材料,并设臵:Name: cladding;Re: 1.442

3)保存设臵,并新建通道,设臵以下参数:Name: channel;2D 轮廓材料:guide 4)保存。返回布局设计,设臵以下参数,并保存: a. Waveguide Properties: Profile: channel b. afer Dimensions: Length: 800;Width: 50

c. 2D Wafer Properties: Material: cladding 5)绘出弧形波导,并设臵位臵参数,如图 1 所示。 6)设臵输入平面参数,并进行仿真,通过参数设臵可得到仿真图形

7)此仿真各类图形汇总如下:

折射指数仿真图形

Neff 图 形

8)点击 Optical field propagation>XZ Slice,得到如下:

实验心得: 本次实验我设计了一个单一弧形波导结构,使得我对波导结构有更加清晰的了解。总 结本次实验,让我对以后的实验更加有信心。对软件的应用也更加得心应手。

实验五:一个星形多模干涉耦合器的设计
实验步骤: 1.典型 MMI 材料设臵 (1)新建电解质材料,并设臵以下参数:Name: guide;Re: 3.3 (2)新建第二个电解质材料,并设臵:Name: cladding;Re: 3.27 (3)保存设臵,并新建通道,设臵以下参数:Name: channel;2D 轮廓材料:guide (4)保存。返回布局设计,设臵以下参数,并保存: a. Waveguide Properties: Width: 2.8 ;Profile: channel b. Wafer Dimensions: Length: 1420;Width: 60 c. 2D Wafer Properties: Material: cladding

(5)绘出两个线性波导,并设臵位臵参数,如图所示。

(6)设臵输入平面参数,并进行仿真,通过参数设臵,可得到如下仿真二维图形。 (7)观测最大值,将仿真图右击,选择 Data clamping settings—设臵参数 Scale Min: 0.4; Scale Max: 0.5。

8)观测兴趣区域,将仿真图右击,选择 region of interest—Axis Z:start 230,end:250;Axis X:start 300,end:599,如图显示。

二维仿真图形 最大值二维仿真图形 2.输出波导设计 1)画出线性波导,并设臵起始坐标: (100,0) 、 (1500,19.6) ,得到如图 2)点击 Edit>Edit Mode > Monitor Paths.则路径监控对话框出现。如图 8 设计路径.

画出输出波导 3)设臵路径监控选项后,进行再次仿真,如图所示。

设臵输出路径

输出波导仿真图 基模功率全重叠曲线图 4)增加输出波导数量,观测仿真结果,并于单一输出进行对比,如下图:

四输出波导设计图 四输出波导仿真图

四输出基模功率全重叠曲线图 实验心得: 本次实验设计了一个星形多模干涉耦合器,让我对耦合器有了一个直观形象的认识, 也对耦合器的原理有了一定的了解。

实验六:应用预确定扩散过程设计埋入型波导
实验步骤: 1、创建一个 Ti 扩散 LiNbO3 的线性波导 (1)创建下列介质材料: Name: Cladding Refractive index (Re:): 1

(2)创建下列 Ti 扩散 LiNbO3 材料

2、定义布局设臵 输入下列设臵内容: a. Waveguide Properties: Width: 6 Profile: Ti:LiNb03_1 b. Wafer Dimensions: Length: 60 Width: 20 c. 2D Wafer Properties: Material: LN1 d. 3D Wafer Properties Cladding Material: Cladding Thickness: 2 Substrate Material: LN1 Thickness: 10 3、设计波导层 在设计窗中画一个线性波导,插入输入平面,并且依次选择 Edit > Properties,在 Input Plane 中设臵激励场属性,选择 Gaussian,依次单击 Input Fields 3D 和 Edit

4







仿







5、开始仿真 从 仿 真 菜 单 下 , 选 择 Calculate 3D Isotropic Calculation. , 开 始 仿 真

6、增加一个新的剖面 ( 1 ) 双 击 波 导 , 点 击 Profiles in Use 在 Diffusion 目 录 下 右 击 Mg:LiNbO3 新 建 Mg:LiNbO3_1 文件,设臵相关参数,通过仿真,得到结果。

(2)在出现的 3 维图上右击,选择 Data Clamping Settings,不选择 Auto scale,设臵其 Min = 2.137 and Max = 2.142 点击 Apply.

实验心得: 本次实验依然做的是对波导的设计,我们做的是应用预确定扩散过程设计埋入型波导。 是我对对软件,波导结构有了深入了解。

实验七:熟悉集成光学仿真设计软件之二:OptiFDTD v8.0
实验步骤: 1.创建一个新工程并初始化 为了初始化这个工程,在 OptiFDTD_Designer File 菜单中选择新建,Initial Properties 会话窗口出现:

2.打开 the Waveguide Profile Designer 为了定义物质,在 the Initial Properties 会话窗口中选择 Profiles And Materials, The Waveguide Profile Designer 窗口打开:

3.定义物质 1) 在 Materials 子目录下, 右击 FDTD-Dielectric folder, 点击新建, 出现 FDTD-Dielectric 会话窗口。命名为 Waveguide2.0,修改相应的参数并保存。 2 )在 FDTD-Dielectric 子目录下,双击 Air ,出现 Air 会话窗口。设臵 Air 为默认 FDTD-Dielectric material 并保存。

4.定义 2D 和 3D 通道文件 在 OptiFDTD_Designer1 软件里, Profiles folder 子目录下, 右击 Channel folder,点 击新建。命名为 waveguide 并修改相应参数如下所示:

5. 对 initial properties 会话窗口进行设臵各项

设臵完成后,layout 窗口出现。

6.新建一个设计 1)从 Draw 菜单中, 选择 Linear Waveguide(直线波导) ,并在 layout 窗口中进行绘制。 2)为了编辑波导的位臵和形状,在 Edit 菜单中,选择 Properties,或者在 layout 窗口中右





























编辑后的波导如下所示:

7.绘制环形波导 1)从 Draw 菜单中, 选择 Ring Waveguide(环形波导) ,并在 layout 窗口中进行绘制。 2)为了编辑波导的位臵和形状,在 Edit 菜单中,选择 Properties,或者在 layout 窗口中右 击波导,修改相应参数并保存。 编辑后的波导如下所示:

8.设臵 input plane 1)从 Draw 菜单中选择 Vertical Input Plane,或者点击 Input Plane 按钮,在 layout 窗口中插入后进行相应的编辑。

2)点击 Run,modesolver 启动:

3D Mode Solver 3)点击 the field (Ex, Ey)按钮来观察场图案:

Major component Ey tab 9.观察相对指数分布 1)在 layout 窗口的底部点击 3D Ref.Index 按钮,3D 相对指数窗口打开。 2)在 Orientation 下选择 X-Y Plane,来观察 x-y 方向上的相对指数分布。

3D Refractive Index tab

Orientation—X-Y Plane

10.设臵观测点 1)从 Draw 菜单中选择 Observation Point,在 layout 窗口中插入后进行观测点相应的编 辑。 2)对第二个观测点按相同的步骤进行设臵。

11. 运行仿真 1)设臵仿真参量 从 Simulation 菜 单 中 , 选 择 3D 32bit Simulation Parameters , 3D Simulation Parameters 会话框出现,进行相关参量的设臵。

2)运行 32bit simulation,分别在显示屏上观察仿真场的成分和观测点图形。

13%:

3D Simulation results

Observation Area Analysis dialog box

实验心得: 本次实验我熟悉了集成光学仿真设计软件之二:OptiFDTD v8.0,和 9.0 大同小异,应 用起来不是很困难。

实验八: 熟悉集成光学仿真设计软件之三:WDM Phasar
实验步骤 1 、 建 立 新 的 文 件 , 设 臵 变 量 对 话 框 出 现 , 波 导 的 宽 度 为 1.5 , 波 长 为 1.55 。 。

2、定义层的参数变量 在要设定层变量的地方双击,出现对话框,设定层的属性。 3、增加一个层 在层结构对话框中,点击增加,将会出现一个新的层,用上面的方法,对层进行设定

4、有效指数模拟 点击计算图标,进行模拟计算。点击 MODES,查看模拟结果

5、查看指数分布发散图

实验心得: 本次实验我熟悉了集成光学仿真设计软件之三:WDM Phasar。和以前的 9.0 8.0 不同, 相当与重新学习了一新的软件。

实验九:光子晶体及光子带差距模拟
实验步骤: 1.PBG 结 构 设 计 1 ) 要 创 建 一 个 新 项 目 , 选 择 “ 文 件 > 新 建 。 初 始 属 性 对 话 框 。 2 ) 单 击 配 臵 文 件 和 材 料 。 配 臵 文 件 设 计 器 窗 口 出 现 。 3 ) 右 键 单 击 在 FDTD 电 介 质 文 件 夹 并 选 新 建 。 一 种 新 的 介 质 材 料 对 话 框 。 4)键入以下信息:名称:PBG_atom 折光指数(回复: ) :3.1 2.要定义通道配臵文件,执行以下步骤。 1)根据 Profiles 文件夹,右键单击该文件夹并选择新通道。该 ChannelPro1 对话框。 2)创建以下通道配臵文件:配臵文件名称:Profile_PBG 二维轮廓定义材质:PBG_atom 三维轮廓的定义 图层名称:layer_01 宽度:1.0 厚度:1.0 偏移量:0.0 材质: PBG_atom 3. 要 定 义 晶 圆 和 波 导 属 性 , 请 执 行 下 列 程 序 。 在初始属性对话框中, 键入/选择如下: 波导特性 宽度[微米]: 1.0 简介: Profile_PBG 晶圆尺寸 长度[微米]:21.0 宽度[微米]:15.0 二维晶片性能 材料:area 三维 晶圆性质 包层 厚度[微米]:1.0 材料:空气 基板 厚度[微米]:1.0 材料: 空气 点击确定。 4.PBG 结构创建 1)从绘图菜单上,选择光子带隙晶体结构。 2)在布局窗口中,拖动从指定的起点上光标释放,创造泛北部湾地区。晶体结构的光子带 隙出现在布局窗口。

3)要编辑的晶体结构在布局上的 PBG 结构,双击。晶格属性对话框

4 ) 在 原 产 地 , 胶 印 , 键 入 / 选 择 以 下 内 容 : 水 平 : 1.0 垂 直 : -6.928 5 ) 按 一 下 评 价 。 6 ) 键 入 / 选 择 如 下 : 深 度 : 0.0 方 位 [ 度 ] : 0.0 7 ) 在 格 属 性 , 类 型 , 选 择 二 维 六 角 形 。 8 ) 填 写 , 选 择 座 。

9 ) 晶 格 尺 寸 , 键 入 / 选 择 以 下 内 容 : 规 模 : 1.0 # 答 : 17 # ? : 19 注:当一个二维晶格被选中时,Y 方向细胞#B 是设臵为默认值为 1。 5. 在标签中,输入 PBGCrystalStruct1。在布局中定义的窗口(见图 88)PBG 结构。 1)在原子波导的单细胞,新增,选择椭圆波导从下拉菜单,单击新建。椭圆波导的属性对 话 框 ( 见 图 ) 。 2 ) 在 中 心 偏 移 , 键 入 / 选 择 以 下 内 容 : 水 平 : 0.0 垂 直 : 0.0 3)型/选择如下:主要半径:0.3 小半径:0.3 定位角度:0.0 频道厚度逐渐变细:使 用默认(频道:无) 深度:0.0 标签:原子简介:Profile_PBG 4)单击确定。椭圆波导的属性对话框关闭。注:如果您关闭晶格属性对话框,你会看到

6.在晶格属性对话框,设臵单元格的位臵节点:

细胞的六角指数的定义如图。

7.在布局设计,选择了泛北部湾格,单击泛北部湾地区。一个绿色的圆点在 PBG 结构和工具 栏出现,其中包括光子带隙晶体结构单元格编辑工具,成为活跃。

选择光子带隙晶体结构单元格编辑工具,右键点击在细胞的原子(3,0,10) 。泛北部湾细 胞的编辑显示上下文菜单(见图) 。选择单元格属性。编辑基础细胞在 3,0,10 对话框。 ( 1 ) 单 击 编 辑 属 性 。 椭 圆 波 导 的 属 性 对 话 框 。 ( 2 ) 键 入 / 选 择 如 下 : 主 要 半 径 : 0.3 小 半 径 : 0.3 带 隙 细 胞 编 辑 上 下 文 菜 单 ( 3 ) 在 中 心 偏 移 , 键 入 / 选 择 以 下 内 容 : 水 平 : 12.2 垂 直 : -4.1 (4)单击 OK 关闭对话框编辑 3,0,10 基础细胞。在细胞的原子(3,0,10)成为有缺陷的原 子

8. 观 察 OptiFDTD 模 拟 器 的 模 拟 结 关 键 的 事 情 来 观 察 ? 折 射 率 分 ? 观 察 在 OptiFDTD 模 拟 器 ( 参 见 图 96 ) 波 的 传 ? 选 择 “ 检 视 > 观 测 点 , 观 察 动 态 时 域 频域响应(见图 97) 。

果 : 布 播 和

9.要开始观察点的分析

10.PBG 结构设计 进行数据分析查看透光率和反射曲线

实验心得: 本次实验得到了在可见光波段透射强度与波长的关系,并在随后的实验中观测到了传光 的模场图.通过理论模拟了实验所用的空芯光子晶体光纤的带隙图,与实验结果具有较好的一 致性.。

实验十:平面波的仿真分析拟。
实验步骤: 、 创 建 布 局 1 ( ) 打 开 波 导 布 局 设 计 。 1 ( 2 ) 要 创 建 一 个 新 项 目 , 选 择 “ 文 件 > 新 建 。 ( ) 单 击 配 臵 文 件 和 材 料 。 3 ( 4 ) 根 据 材 料 的 文 件 夹 , 右 键 单 击 在 FDTD 电 介 质 文 件 夹 并 选 择 新 建 。 (5)键入以下信息: 名称:N = 2 折光指数(回复:):2.0 如下图所示:

定 义 通 道 配 臵 文 件 2. (1) 根据 Profiles 文件夹, 右键单击该文件夹并选择新通道。 该 ChannelPro1 对话框出现。 ( 2 ) 创 建 以 下 通 道 配 臵 文 件 , 其 配 臵 数 据 如 下 图 所 示 : ( ) 单 击 存 储 。 3 (4)关闭配臵文件设计。

3.定义晶圆和波导特性 (1)在初始属性对话框中,键入/选择以下内容: 波导特性: 宽度[微米]:1.0 简介:Profile_n = 2 晶圆尺寸: 长度[微米]:8.0 宽度[微米]:4.0 二维晶片性能 材料:空气 三维晶圆性质 包层 厚度[微米]:2.0 材料:空气 基板 厚度[微米]:2.0 材料:空气 (2)单击确定,关闭初始属性对话框。出现下图所示图形

4.插入输入平面 (1)从绘图菜单上,选择垂直输入面。 (2)插入输入平面,在布局窗口,单击你想放的地方,输入平面出现在窗口。 (3)编辑输入平面在布局上输入面,双击输入面属性对话框。

(4)单击确定,关闭输入域属性对话框 5.二维 TE 的设臵参数时域有限差分模拟 (1)从模拟菜单中,选择二维模拟参数。 (2)键入/选择以下信息,设臵下列数据,如下 面对话框所示 (4)单击确定, 关闭该对话框。 (5)在时间参数,单击计算, 默认时间步长的 计算方法。 (6)选择运行 1000 时步(结果定稿)。 (7)选择键输入信息:输入 Plane1 和 波长:1.55。 (8)单击确定以关闭模拟参数对话框不运行 仿真或单击运行以启动 OptiFDTD 模拟器+ x 的: - Y 的:佩奇 + Y 键:佩奇

阻抗:各向异性 PML 的 +张:各向异性 PML 的 各向异性 PML 的计算参数 数的各向异性 PML 的层数:10 理论反射系数:1.0e - 12 真正的各向异性 PML 的张量参数:1.0 多项式功率等级:3.5 (1)单击确定。 该对话框关闭边界条件。 (2)在时间参数,单击计算。 默认时间步长的计算方法。 (3)选择运行 1000 时步(结果定稿)。 (4)选择键输入信息:输入 Plane1 和 波长:2.00。 (5)选择的 DFT 选项:电热元件:Ey 的。 单击运行开始 OptiFDTD 9 模拟器。 当模拟

运行时,平面波的影响可以观察到 模拟器 6 设臵的 3D - Y 方向偏振平面波模拟参数 (1)从模拟菜单中,选择三维模拟参数。三维仿 真参数对话框。 (2)键入/选择以下信息: (3)单击高级.... 边界条件对话框。

- X 的:临市局 + x 的:临市局 - Y 的:佩奇 + Y 键:佩奇 阻抗:各向异性 PML 的 +张:各向异性 PML 的 各向异性 PML 的计算参数 如右图 (4)单击确定。 该对话框关闭边界条件。 (5)在时间参数,单击计算。 默认时间步长的计算方法。 (6)选择运行 1000 时步(结果定稿)。 (7)选择键输入信息:输入 Plane1 和 波长:2.00。 (8)选择的 DFT 选项:电热元件:Ey 的。 单击运行开始 OptiFDTD 9 模拟器。 当模拟运行时,平面波的影响可以观察到 模拟器

实验十一:WDM 器件性能的快速评估
实验步骤: 1.访问相控阵的统计数字 (1)确保设备选择。

(2)从性能”菜单上,单击“装臵统计,相控阵。在计算完成时,相控阵天线阵的统计数字 对话框出现。相控阵天线的统计数据为如下所示。第一栏显示如果几何路径允许波导推论。 第二个估计的损失和弯曲路径从各个交叉点。 最后得到最近的波导显示一位邻居而分阶段进 行 (3)在相控阵统计对话框,使显示相声水平复选框。 波分复用(WDM)Phasar重新确切的最高音 水平相适应的最小分离了距离。

2.访问输入阵列的统计数字 (1)从性能”菜单上,单击“装臵统计,输入数组。输入数组统计对话框。 3.访问数组输出统计 (1)从性能”菜单上,单击“装臵统计,输出的数组

总结计算参数 在这一步,你就会得到一个总结的计算参数相控阵,输入数组,输出的数组。 你将完成这项

运用统计监控对话框。 总结了装臵获得统计数据 11 From the Performance menu, click Statistics Monitor。统计监控对话框中(见图_)。

(2)重新计算。统计信息总结显示器有关阶段性的,输入和输出的数组。 4.计算设备的性能特点 在这一步,你就会使用计算器计算性能表现该装臵的特点。在履行计算器的对话框,你 会找到一个总结最重要的几何、材料、模态特性的波分复用(WDM)设备。你将也算最重要 的性能和特点,Phasar装臵- - - - - - -秩序、分散性、自由光谱范围、非均匀性、间距、频宽、 和 衍射损失——将会显示在结果对话框。计算设备性能特点 (1) From the Performance menu, click Performance Calculator (2)带宽水平宽度是用于定义的the widths of channels。To report 3 dB levels, enter -3 in this box. -20 defines the widths for a 20 dB level.

(4)验证计算结果,点击保存按钮。 (5)保存文本。 (6)去存放个结果和关闭另存为对话框。 (7)关闭软件。

实验十二:四波混频效应的仿真分析
实验步骤: 1.设计一个四波混频布局为了设计的四波混频材料,履行下列手续。 (1)要创建一个新项目,选择“文件>新建。 初始属性对话框。 (2)单击配臵文件和材料。 配臵文件设计器窗口出现。 (3)根据材料的文件夹,右键单击在 FDTD 电介质文件夹并选择, 新建一个新的 FDTDDielectric1 材料对话框。 (4) 名称: FDTD_1.65 常量号: IDX 的 ? 1.65 ( 5 )根据材料文件夹,右键单击域有限差分法,非线性文件夹并选择新建。 一个新的 FDTDNonlinear1 材 料 对 话 框 。 ( 6 ) 选 择 克 尔 。 克 尔 标 签 会 出 现 在 对 话 框 中 。 (7)选择/键入以下内容:名称:FDTD_NL_Kerr 相对线性介电常数:2.7225 响应时间: 2.0e15 介 电 常 数 : 2.0e18 ( 8 ) 要 节 约 材 料 , 单 击 存 储 。 2. 要 定 义 通 道 配 臵 文 件 , 执 行 以 下 步 骤 。 (1)根据 Profiles 文件夹,右键单击该文件夹并选择新通道。该 ChannelPro1 对话框。 ( 2 ) 创 建 以 下 通 道 配 臵 文 件 : 配 臵 文 件 名 称 : NL_Kerr 二 维 轮 廓 定 义 材 质 : FDTD_NL_Kerr

(3)创建第二个配臵文件:配臵文件名称:Linear_WG 二维轮廓定义 材质:FDTD_1.65 (4)关闭配臵文件设计。要定义晶圆和波导属性,请执行下列程序。 a.在初始属性对话框中,键入/选择如下:波导特性宽度[米]:1.0 简介:NL_Kerr 长度[m]:15.0 晶圆尺寸 宽度[米]:10.0 材料:空气 b.单击确定。的初始属性对话框关闭和布局窗口。要创建波导,请执行下列程序。 c.单击开始标签。 在胶印机,键入以下值: 水平:4.0 垂直:0 d.点击结束标签。 e.在胶印机,键入以下值:水平(米):13.00 垂直(米):0.0 在通道厚度锥 8. f.键入/选择如下:宽度(米):8.0 深度(米):0.0 标签:linear4 简介: NL_Kerr l.重复步骤[3] [1]创建三个输入的线性波导布局。 3.输入波导 1 属性,输入波导 2 属性,输入波导 3 属性,然后单击确定。

观察模拟结果 关键的事情来观察:时域波形(见图)传播模式 场反应的观察点(请在时域 和频域 查看“>观测点看到的动态时域和频域响应(见图)。

图 OptiFDTD 模拟器时域和频域观测点

5. OptiFDTD_Analyzer 并查看分析结果 (1)要打开 OptiFDTD_Analyzer 并查看分析结果显示,单击是。注意:当模拟结束后,结 果自动保存为一个文件具有相同名称但不同的文件扩展名(*. FDA)的。 (2)选择观测区域分析工具。 该观察区域分析对话框。 (3)在观测点选项卡,键入/选择以下内容:观察 Point1 频率的 DFT。采样点:1000 (4)单击更新图,查看更新的结果。 在观察 Point1 光谱响应显示,四 波混频效应可以 看出,在曲线(见图)。 图 OptiFDTD_Analyzer 观测点结果分析

实验十三:各向异性埋入型波导的模式分析

实验步骤: 1、定义各向异性波导材料 在 Profile Designer 窗口中,在 OptiBPM Designer 1,Materials 下,新创建介质材料 在 3D Anisotropic 去掉 Use default 创建下列介质材料 Name: AnisoEps Permittivity tensor (Re) of the core: ε xx= 2.31 ε yy= 2.19 ε zz= 2.31 创建第二个介质材料 Name: Eps Permittivity tensor (Re) of cladding and substrate: ε xx =ε yy =ε zz = 2.05ε xy = ε yx = 0ε xy = ε yx = 0 2、创建波导轮廓 在 OptiBPM Designer 1>Profiles>Channel,新建一通道 Profile name:BuriedAniso 输入下列内容 a. 2D profile definition Material: AnisoEps b. 3D profile definition Layer name: Layer0 Width: 2 Thickness: 1 Offset: 0 Material: AnisoEps 3、定义布局设置 在 Initial Properties 对话框中输入下列内容 a. Waveguide Properties tab Profile: BuriedAniso b. Wafer Dimensions tab Length (μ m): 200 Width (μ m): 6 c. 3D Wafer Properties tab Cladding Material: Eps Thickness: 3 Substrate Material: Eps Thickness: 2 4、创建线性波导 在设计窗口中画一线性波导并进行设置 a. Start offset: Horizontal: 0 Vertical: 3e-2 b. End offset: Horizontal: 200 Vertical: 3e-2 c. Width: 2 完成之后插入一输入平面 5、设置仿真参数 在 Simulation Parameters 对话框中 点击 Global Data 条目,在 Wavelength 输入 1.0 点击 3D Anisotropic,在 BPM solver,中选择 Pade(1,1), 在 Mesh size 中选择 Points/μ m 并且输入 X = 16 Y = 16 在 View cut 中输入 X Mesh Pt: 1 Y Mesh Pt: 1 在 Propagation Step 中输入 0.5 在 PML 中输入 Layers: 5 Theoretical Reflection Coefficient: 0.000

6、观察介电常数的分布

7、计算波导的模式

8、计算磁场 打 开 Global Data: ADI Method 对 话 框 并 选 择 Advanced 条 目 , 在 Engine 窗 口 下 选 择 H Formulation (Magnetic),开始运行。 除了模式之外,还可观察到个磁场分量及相应的模指数。仿真之后,可以打开Analyzer来检 测输出波导的功率、 场分量、 积分功率、 注释以及仿真参数。 另外, 用H Formulation (Magnetic) 来计算莫指数和用E Formulation (Electric)来计算模指数是一样的,仿真结果和严格的矢量 分析相一致。

实验十四:WDM 器件的设计
实验步骤 1. 打开一个新项目

2.定义界定的元件参数 1)一个类型的元件参数对话框,波导宽度1.5盒子。 2)在波长盒、类型1.55。 3)在极化区,使TE按钮。 4)层点击编辑按钮进入下一个对话框(见下图)

3.定义一个参数 1)在一个有效的指数计算器对话框,双击你想要更正的层。 2)层属性对话框中膜厚度、类型所需的厚度如下图所示

4.添加一个层 1)在一个有效的指数计算器对话框,点击层 2)点击添加 3)按在新的层数,然后在编辑修改厚度和指标体系。

5. 执行有效的指数模拟 在层状结构的对话框,点击“计算”。

6. 显示结果的模式指数计算 在计算器模式对话框,单击模式。

7.观察有效模态场分布和指数分布 1)在指数在模态对话框,点击列表中选择模式。 2)点击显示场按钮。

3)右键点击图领域显示对话框将带来一个菜单选项显示更多(见下图)

用向导工具设计一个WDM装臵 1. 关闭对话框进入初始数据对话框 1)关闭领域显示对话框。 2)在模态对话框中,点击指标的关闭按钮。

3)在计算器模式对话框,点击关闭按钮。初始数据对话框出现(见图1)。

2.用装臵向导创建一个 WDM 的器件 (一)定义所需极化和串扰水平 1)从“设计”菜单上,单击“装臵的向导”。 2)在波分复用(WDM)参数对话框,使TM按钮能够在偏振部分。 3)在最大的水平(dB)段部分,进入了价值为-35输入/输出波导木箱和相控阵波导盒子。 4)单击下一步按钮,出现下图所示方框。

(二)定义输出通道的非均匀性和数目输出 1)在非均匀性盒,确保负值为0.5 2)在输出通道盒、类型8 3)按“下一步”。数据设臵如下:

4)按下一步按钮,出现如下所示框图

出现如下所示图形

实验十五:马赫-曾德尔干涉仪的设计
实验步骤 1、首先定义材料 Lithium_Niobate,之后创建 Ti 扩散层,接着按照指导书输入初始参数, 准备工作结束。

2、按照表中的数值绘制出一条波导,再通过软件中一个很实用的功能 flip and mirror(镜 像翻转) ,绘制出另一条与此对称的波导。如下图所示:

3、翻转后得到了两条对称的波导:

4、点击 layout 旁边的 3D XY Plane View,在 RI data types 工具条里可以设臵 Z 轴向的 厚度。

5、接下来在绘制电场区域,利用外加电场改变波导等效折射率,从而实现我们需要的功能, 利用 region 工具条中的电场区域绘制出图样:

6、设臵电场的属性,双击电场区域弹出对话框:

7、要定义缓冲层,选择上图对话框中的 Electrode,并根据指导书设臵好三个电场区域, 输入相关数值:

这样我们的器件就全部设计完成了,可以开始仿真计算了。 8、设臵好仿真参数,在之前的电场区域中的 electrode2 中设臵电压数值,再运行仿真,可 以看到不同电压值下波导光的传输仿真图像,这里我们主要考虑电压为 0V 和电压为 6.75V 时,波导光的传输图像。 如下: 当开关电压设为 0V 时,如下图所示:

当开关电压为 6.75V 时,如下图所示:

从这两个图可以看到,不加电压时,波导光从一条波导转移到了另一条进行传输,起到了转 移的作用,所加电压为 6.75V 时,波导光保持在原来的波导中传输,本实验设计出的马赫曾 德干涉仪光开关实现了开关功能。

实验十六:渐变折射率光纤的设计
实验步骤 1.定义物质 1)在“文件”菜单上,选择了新建文件夹 2)创造以下的介电材料: Name: cladding 2D Isotropic tab 3D Isotropic tab Refractive index (Re): 1.444 Refractive index (Re): 1.444

2.定义用户变量 1)定义所有变量

2)定义函数体

3)选择应用范围和类型

3.建立一个线性波导纤维 1)在线性波导属性对话框,输入下列类型 Start offset: Horizontal: 0 Vertical: 0 Width: 6.0 Profile: GradedFibre End offset: Horizontal: 100 Vertical: 0

4.观看的折射率分布 1)3D平面

2)X方向上2D折射率

3)Y方向上2D折射率

4)模态指数计算和模态的三角核心领域的纤维

实验十七:阶梯折射率光纤的设计
实验步骤 1.定义材料 1)在剖面设计、创造以下介电材料:

2)创造SMF-28光纤侧面 创造SMF-28光纤侧面,履行下列程序。

3)定义布局设臵 2.创造线性波导 1)建立线性波导,执行下列程序。

2)设臵仿真参数

3)观看的折射率分布(x - y切割) a.在布局设计,点击裁判。指数(n)- 3 D XY平面

b.二维折射率分布在X,Y方向

4)计算模式

得3D模拟图

心得体会: 回顾起此仿真实验,至今我仍感慨颇多,从理论到实践,在这段日子里,可以说得是苦 多于甜,但是可以学到很多很多的东西,同时不仅可以巩固了以前所学过的知识,而且学到 了很多在书本上所没有学到过的知识。 通过这么多次实验使我懂得了理论与实际相结合是很 重要的,只有理论知识是远远不够的,只有把所学的理论知识与实践相结合起来,从理论中 得出结论,才能真正为社会服务,从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在实验 的过程中遇到问题,可以说得是困难重重,但在老师和学长的帮助下,最终都得到了解决。


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