Rsoft软件简介和使用

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1、目录Rsoft 简介3Chapter 7 Tutorials 第七章 教程 5Tutorial 1: Ring Resonator 教程 1: 环形共振器 5Device Layout:器件结构： 5Defining Variables 定义变量6Drawing the Structure 画器件结构图 7Checking the Index Profile 核对折射率分布 10Adding Time Monitors添加时间监视（探测）器 11Simulation: Pulsed Excitation 模拟：脉冲激发 13Lau nch Field 激发场 13Wavelength/Freq

2、uency Spectrum 波长 /频率光谱 13Increasing the Resolution of the FFT 提高 FFT的分辨率 15Simulation: CW Excitation 模拟：连续激发 17Tutorial 2: PBG Crystal: Square Lattice 教程 2： PBG晶体：四方晶格 19Lattice layout 晶格布局19Base Lattice Generation 基准晶格的创建 19Lattice Customization 定制晶格20Checking the Index Profile 核对折射率分布 20Inserting

3、 Time Monitors 插入时间监视器 21Launch Set Up 激发场设置 22Simulation 模拟23Data Analysis 数据分析24Switching Polarization 改变偏振为 TM 模25Periodic Boun dary Con diti on Set Up 26Tutorial 3: PBG Crystal: Tee Structure 教程 3: PBG晶体：T型结构26Tutorial 4: PBG Crystal: Defect Mode教程四：PBG 晶体：缺陷模型 26Rsoft简介包括 BeamPROR FullWAVE、Ban

4、dSOLVE Grat in gMOD、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(fin ite-differenee 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

5、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 CA

6、D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。Grati ngMOD :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(Desig n),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(Trans

7、verse 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 Longitudina

8、l 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Grati ngMOD其使得Grat in gMOD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(

9、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

10、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(in cide nt direct ion) 与照度极化 (polarizati on of illu min ati on) 以完成模拟。illu min ati on)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

11、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。

12、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) oMOST用以优化设计分析光电元件之软体模组

13、。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。Chapter 7 Tutorials 第七章 教程所有的教程都在 Rsoft安装目录(EXAMPLESFULLWAVETUTORIA下可以

14、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卩m折射率为3的波导

15、，其共振波长约为 2(imo步骤：1、打开 RSoft CAD-Layout:2、点击创建新结构按钮（New Circuit icon )D|3、设置如下参数（见下图）Free Space Wavele ngth:2; Waveguide WidthBackground Index: 1 ； Index Difference : 2Defi ning Variables 定义变量单击 Edit Symbols 按钮二 IGap = L = R = R1 = R-width/2 R2 = R+width/2.Drawi ng the Structure 画器件结构图我们将作圆形的波导（环）：首先

16、画个圆盘，然后在其中间挖个洞。步骤：1、从菜单中选择 Options/lnsert/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 Differenee : 0;点击对话框中的More 按钮

17、，设置Display Color: Yellow, Priority Level : 1, Background Index : background_index+delta.4、接下来部分做一个bus waveguides :点击 Segment Mode 按钮,在右边画个段P ropert ies状波导，参数设置如图所示:Index Difference:Indo IvnagWaveguide Vidth:Waveguide Height:Y Posilion:Reference Type：N are1 Offset 厂 Angle Paiameter Value；Reference To

18、eComporient: |Vertex:Reference Tjpa: * Nah&OffsetC AngloF*ara meter Value； rReference To：Omponsnt: i7Vertex：Reference Typ& None 审 Offset f* Angle Patanneier Value；Refeicnce T o： 匚ocnporerit: Vertex:InR efer&nceC Mm* Offset 厂 Angle Fianwter Value.|2X(R2+L1R eferencE lacComporieKil: g- Vertew:o-Sliu&t

19、ue Type.Profile Tjipe:Combire 副口de：Width MfiSLirecSeg OrienlationD efaultPosition Taper:|NonetSymbols.:6R jl*! II!S!I (U”T订 ID ehultD efadt二Index Taper fjone丫Width Taper: oneL即邮Tapers.CrcelArc D ala .D efaultHeight Taper; uone亍2 Axi亍YPos Taper: NoneProfiln.More.for Segmen-fc S35、复制一个条形波导，参数设置如下图所示:S

20、tiuclure Type:Fosition lapei:None Profile Type;Corn bine Mode:Width Measure:Sag OrientationY Pos 7ap:Indew laper None Wi出hTapm |one Heiit Tapa:|NoreSmbole.IOK 1is!* III! !l 1!*. |CancelTapers. |Arc Data.Profiles.1Mare.| Norie |Starling VerteM-R2-G ap-widthZ2Index DJfefencecIndex (imag part): Wavegui

21、de Width: Waveguide Height?Y Poiitiari：Index Difference:Index inoag 财I： Waveguide Width WaveQuide： Height： V P&siliori：Reference Type: * NoneOffset广AngleParameter Value:Reference T vP e:NoneC offset 厂Ari水 Parameter Value:Reference I o：Component:Reference To:Component: |qVertew:Reference Type： 厂 None

22、 OffsetT AnsleParameter Value:0Fteterenw TaComponent:VarJew:fQ-Reference Type: None* Offeelr，AnglePdrametef Vlue:I占氏ORefererice T o：Component. 4 Vertex:oChecki ng the In dex 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 In dex Profile按钮，选择显示模式Display Mode为ContourMap(XZ)，设置参数如图所示：点击Ok按钮后，出现下图描述的折射率分布情况（第二个

23、圆盘优先级别更高）匕 Bit M丸0(】-：Liiii|jukdUon Gji 洱1口12(1 -心：卜购 td1Rla Help二LQJNX IpmJAdd ing Time Mon itors添加时间监视（探测）器我们将用两个监视器来测量接下来将在器件中插入时间监视器，为后面分析做准备。场透射和衰减（transmitted and dropped ）情况。步骤：1、选择菜单 Options/lnsert/Time Monitor2、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:Simulatio n: Pulsed Excitatio n 模拟：脉冲激发这部分讨论环

24、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。Lau nch Field 激发场设置激发场的空间特征和时间特征。点击 Edit Pathways 按，点 New Pathway 按钮Mew左击左边条状波导，它Field按钮丄，注意设置的颜色变成亮的绿色，点击0K。此时，我们已经建立一个Pathway #1，单击Edit LaunchLaunch Pathway 序号为 1. Launch Type 为 Slab Mode，点击 OK,返回CAD窗口。Wavele ngth/Freque ncy Spectrum 波长 / 频率光谱点

25、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 卩m我们可以设置时间步长为。7SiAulat ion PacaMetDoman Min: Domain Maw; Grid贏削 PHL Width： PML RMI.!Current VdueDefouir Use Vlue DFs 匠厂 辰厂Current Defuir ylueValueamPFF 厂fn|5|1e-0O8UeDMjiientVlueDefault Use V

26、alue Defc17|220|-2.26 FP|228Z.2： W1?|0.021101厂|0,51e008Time GridIime lep:|0.l1 3E8 tab By Limi： |o 01414213562 Stop Time： FnwJmeJS lies Time:|fdkO5JtifneUpdate T ime; |l (Tfdtdjime_steMsnitcr T ime: fdtd_time_step(All times aie cT in units of umDefault LaunchEKcitahoncRaMp2Pijls& Tirri&Source Offset

27、:Cluster S siting t.Estriated Time：1.576 min|hrmbdaoEstimated Mem.112MBOutput Ptefw:Save SettingsCancel接下来，点击 Output按钮，在FDTD Output Options窗口设置输出选项，确认meMonitor 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ti

28、me monitors 的结果。JullTAVE - GomputatipuFzle di t Vi ew fixm KelpContour Map of Ey2-I-1 -3-2-1012X(um)X: 011551Y：-5.9388w=芋E_匚玄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，选择文件，显示如下图,Jverlp, -2.1.0 J.8)Overlap. 2 l,0.-1.3iMonitor Type. _Q7aUonMonitor Typ9, Location;Ujedap,(-2.

29、1.0.1.6)(Xei l-jp,(2.1.0.-1.)0 1 24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StopTime 设为 2X5*fdtd_time_step 时的结果。L21.00.80,60.40,20.0Wavelength (gm)Simulatio n: CW Excitatio n 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 yim勺情形。d点击 Edit Global Settings 按钮，设置 Free Space Wavelength：点击Perform Simul

30、ation按钮，将激发模式 Excitation设为CW,同时将 Stop Time设为2A14*fdtd_time_step，输入一个新的输出文件前缀Output File Prefix，女口 ring_cw。模拟结构如下图所示。IlliFulHAVE - Gowpoit at i od 日 x+fEdit Layers.EditTerisers.（设置变量 Period=卩,Radius=）Checki ng the In dex Profile 核对折射率分布点击 Display Index Profile 按钮设置Display Mode 为 ContourMap （XZ）,Compu

31、teStep in X and Z 为,Slice Step in both X and Z 为 Compute Step。:51ul3ition Fa.rad：era：-匚owpnte Index PrcrfileDomain Hri；Domain MawCompute 5 怕口Slice Step Monitor Step.CurrentValue|-toundDefault UseVakie Dshr|(0.5xN F|0.02 - |C u：|0庇亠|丽_厂厂厂CurrentValueDefault UseValue Defr匚 ureritValue| 匚 meter：Cent&fi

32、Q.020.020.02Dm怡uF Use Value Dsfs T而T r p1F：75 厂 |C 02 厂 |014 厂 coZ-亍D is pl 05)M ode:Out put File Prehx;Symbols . ICoritourWp (|三|Display.Output .E st mated T ims：0.000 irriinSave Settings点击OK后，结果见下图。Inserting Time Monitors插入时间监视器菜单 Options/lnsert/Time Monitors，设置 time Monitor Type 为 Default Field ,

33、 TimeAverage 为 No, Frequency Analysis 为 FFT。Lau nch Set Up激发场设置点击 Edit Launch Field 按钮41，设置 Launch Type 为 Gaussian.Lau nch Width 为Launch Field:NewDeletePower; p-Phase: o-Polarizer.Type:Tilt：Mode:Mode Rtd:Random Set:Input File (E-M ajor):Input File E-Mhor: Align File: Nofmalisatian:Pathway;Back-groun

34、d N:Delta N：Phi;Theta;WWeHeight:Length:Position XPosiHon Y:Position Z：Nefh| defaultdefault-| default|defaul lOLPerio| default0L34KPeriDtKIdeFaullI default| defaultCancelFDTD OptionsTempofal EMcitatior;Type：Wavelength：Ramp/卩心汕倔Delay Time:Shutoff Time：Chirp C oefficisnl:Spatial Excitation:Type：匚 urrer

35、it Direction:Directiori VectorSymbol?.Simulation 模拟点击 Perform Simulation 按钮，如下表及图所示设置参数。Grid Size in XUpdate Time 100*fdtd_time_stepGrid Size in ZExcitatio n PulsedTime StepPulse Time lambda/2Stop Time 2X6*fdtd_time_stepSource Offset *PeriodZFulLVAVE SiauJatinn FaraveteisDomain MintDomari Max:Grid S

36、izecPML Width:PML AeU.：0.5Oefajlt UseCiMrent ValueDefaultValueDefsPr0 |0r-r|o|fouTE-rrn|le-OO0X丫1008CurrentVaiuB-baunda口亍 NX)o.oFUseD矶CirrertValueCenter-|CenteiZQ02-05 100Defaulf Use VIub D睢0.02Time GridTime Step;Stability Limit:Stop Tins;Slice Time:Update Time;Monitor Time:10.01414213562121 Edld.ti

37、nies |fdtd stopi time pTSJiddjimT|klt(time stepDefault LaunchE 閣uit 別 ion:R amp/Pulse Time:Source Of feel.|0.234PeriEstimated Tine:12.412 minEstimated Men:22.0 MBLaunch.Symtjols.Output Prefix:square_pbgLteAdvanced.All times are cJ n cmils of urCluster S eUing?.Display.点击Output 按钮，设置参数如下图示。Data An al

38、ysis数据分析当模拟计算结束后，点击 Win PLOT按钮（或从开始菜单打开Win PLOT程序），打开文出。bbiJh.ii Tjp罠FiiWtU.rjDJJ304j/ylMonltor Value a.u.11Jl/lh* Monitor 1 ypcn Location：11 治1/ill /pnwy?&x2c-15MO.3,0.65,0,100squarepbgteJmn38X0.2041JITSourix11Switching Polarization 改变偏振为 TM 模点击 Perform Simulaition点击 Edit Global Settings 按钮设置Polari

39、zati on 为 TM。按钮创设置Output File Prefix 为 square pbg tm。具体设置过程略（见 FullWAVE教程P98）,结果如下图。其中光子带隙PBG已经标结果如图所示。Periodic Boundary Condition Set UpVariableValueDescriptionfdtd_be_xFDT：_BC_PESIODICScl pcir.-iJic I.iimhi v nXfdtd_DC_zF2U_BC_?EslODICSet 卩CTiDdic bcunthry in Zfdtd_-eKci t at ionspat 1 al1Sei point wurceNumber unit cell & m X斗Z.Number tif unit cells in ZTutorial 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