Rsoft软件简介与使用

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 9Adding Time Monitors 添加时间监视（探测）器 10Simulation: Pulsed Excitation 模拟： 脉冲激发 12Launch Field 激发场12Wavelength/Freq

2、uency Spectrum 波长 /频率光谱 12Increasing the Resolution of the FFT 提高 FFT 的分辨率 14Simulation: CW Excitation 模拟： 连续激发 16Tutorial 2: PBG Crystal: Square Lattice 教程 2： PBG 晶体：四方晶格 17Lattice layout 晶格布局17Base Lattice Generation 基准晶格的创建 17Lattice Customization 定制晶格18Checking the Index Profile 核对折射率分布 18Insert

3、ing Time Monitors 插入时间监视器 19Launch Set Up 激发场设置 20Simulation 模拟21Data Analysis 数据分析 22Switching Polarization 改变偏振为 TM 模23Periodic Boundary Condition Set Up 24Tutorial 3: PBG Crystal: Tee Structure 教程 3: PBG 晶体：T 型结构.错误！未定义 书签。Tutorial 4: PBG Crystal: Defect Mode 教程四：PBG晶体：缺陷模型.错误！未定义 书签。Rsoft简介包括 Be

4、amPROP、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(finite-difference 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

5、 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

6、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)o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Z构(Transverse GratingMOD可以设

7、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)与转移矢巨阵法(Transfer Matrix Method)有效地分析 光栅特性。 Coupled-Mode Theory)与转移矢I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

8、(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。 D

9、iffractMOD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

10、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

11、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

12、)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) o硅晶元件(例如：绝缘层上硅晶-SOIs- Silicon on Insulator)。极化 旋转器(Polarization rotators) o 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)。M

13、OST: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。Chapter 7 Tutorials 第七章 教程所有的教程都在 Rsoft安装目录(EXA

14、MPLESFULLWAVETUTORIA)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

15、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 mo步骤：1、打开 RSoft CAD-Layout2、点击创建新结构按钮(New Circuit icon3、设置如下参数（见下图）Free Space Wavelength ： 2; Waveguide Width : 0.2;Background Index : 1; Index Difference : 2Defining 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 th

16、e 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。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 t

17、he 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.Display ColorMask L也削：Priority Level:Ref Background Ind&f：YellowSideiall Anglec|0|oNonlirieai N2 coef (real): |1Nonlineai N2 coef lirnag: 0back.ground_indeHNonlineai N

18、2 sal coef: 0Simulated BendLNotDispeisiori Reffrad/um): |dekdtSimulated Bend Radius:I 口Dispeision Res a.uij:俄haultEleeltcde/I-Iester Type：EZH Control Paiameter：None |o口 K |Delta Tensor:-1Cancel Ad.d_itioital Coaponerrt Properties4、接下来部分做一个 bus waveguides：点击Segment Mode按钮,在右边画个段状波导，参数设置如图所示:ShuGtLie

19、Type.Phi Ifo Type;Combine Mode：0 efault Position T aper:D efaultWidlki Measure KSault 二I nd部T叩部而高Width T aper;网口门已Height Taper:|fJoneSeg OrienlatiorL 之内4学 .Y Pos T jper:None tHone Stai ting VertexEnding VertesIndex Difference:IruleK 油司 口却叮： V/aveguide Width.Waveguide Height: Y Posit io niR2+Gap+widt

20、iV2Indew Difference: IndeH Ibnag part): Waveguide Width: Waveguide Height: Y Pcfkion:Reference Type' N one r OfhetAngle Paiarrteter Value：VReference Toe Comporienl: |- Verlev：Reference Type: '* NoneOffsetr AnglePara meter Value：Reference TypaNone田 Offsetr AnglePa ameter Value：R eference Ty 口

21、印None,* Off jetAnglePiameter Value.IFieferenoe To：Component- Vertex|DReference T：Compoherit: p-Vertaw:o-|2K(R2+LRefeience ToeCcmpoheht s-Vertew:同一IB Propertxes for Segment: S35、复制一个条形波导，参数设置如下图所示:Stiuclure T即公D 创；UtPosition Tapei.| NoneP3 归 Type:Default TIndoK 7 opocNoneCom bine Mode:Def suit TWidth

22、 T 叩6；NoneWidth Pleasure:Dekt 二|Height Taper:NoreSeg Orisntation: | ； 4HAYPosIapa. NoneStarling VertexEndrg Verte>-R2-G ap-wicih/2Reference Type： Nona'OJfeetAnglePsrame=tei Vallie;Refererice To：ComponentVertex:Index DiffeiencecIndex (imag part I Waveguide Width. V/avejuide H eight： Y Position

23、:R eFerence Type: NoneC OffsetAngleP 司 ameUi Value:FReference To:Component:Vertew:Ftel&renM Type：None» OfhetC AngloRafa mete rValue;口Fieference ToComponent.Vertex:Index Difference:Index innag part):Waveguide WidthWaveguide HeightY PositioniReference Type: None' OffsetAnglePyrame t&r

24、 V-alue;|r(R2+L)Reference To:Component.Vertex:frj-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（第二个圆盘优先级别更高） ini xlF-ila Edt View Rla Help1四支第| 15noli - CliiiiptjLiIIoii CuiiiplettKJ - X:Adding Time Monitor

25、s 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 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: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 Pathwa

26、ys按钮_0,点New Pathway按钮 New I,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血|、kField 按钮-I,注息设置 Launch Pathway 序厅为 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ffl,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 )

27、,在空间网格尺寸(Grid Size )为0.02师，我们可以设置时间步长为0.0135。拟。:SiAulat ion Paraaet；|XY7Domain Min:Domain Mac; Grid EM PM L Width， PML RMI.!Current Vdue 7|0.02Defauft Use Value Dels厂LDetdjt UseVdue D4手|ogP|117Currenr Vlue1.220 |22S |0.O2 |0j1 e008Dekut UseValue Do除 | 2 26 W |2+23|7Toi- rDefault LaunchEncitalion:(Al

28、l times aie cl in units of umPiHEstimated Time:1.576 minLaunch.Output Ptefe:SyrnbokfAd'jwted.Output |Cluster Ssiting;.Dis：play.Ramp2Puls& Time； |hnnbdaScures Offset:o-Estimated Mem.112MB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 Y

29、es,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。JullTAVE - Gomputatipu CovpltedIXFzle gdit Vi ew fixm KelpContour Map of Ey21 二0 -1 -3-2-1012X(lhti)000 9 6 4 2 01s0 n 010aC.X： 011551Y:-5.9388Increasing the Resolution of the FFT 提高 FFT 的分辨

30、率图,要分析波长光谱，可以 View Graphs按钮, 选择 ring pulse.pwm 文件，显示如下1.2kO0.80.60.40.20.0Monitor Type, _Q«7aUonJverlp, :N 1.0,1 £|Overlap.：2 l,0.-1.3i134Monitor Typ9, Loccti&n;(-2.1,0,1,8)(Xei l-jp.01234Wavelength (jim)谱线态粗糙了，可以通过设置更大的stop time值来提高谱线光，t度。下图为 StopTime 设为 2A15*fdtd_time_step 时的结果。L21.0

31、0.80.60.40,20.0Wavelength pm)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，我们将分析点击 Edit Global Settings 按钮共振器在波长为1.977 m的情形。D,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 2Ai4*fdtd_time_step ,输入一个新的输出文件前缀Output File Prefix ,如 ring_cw。模

32、拟结构如下图所示。1.0 ;0 3 :Cl. 6 T0.4三0 2 0.0三FulIIAVE - Gowpoitation Completed01OD200CT （卬）II又 8.192|Y?2.1633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

33、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 品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基准品格的创建菜单 Utility/Array Layout XZLattice Customiza

34、tion 定制品格点击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)

35、, ComputeStep in X and Z 为 0.02, Slice Step in both X and Z 为 Compute Step。点击OK后，结果见下图。Inserting Time Monitors 插入时间监视器Time菜单 Options/Insert/Time Monitors，设置 time Monitor Type 为 Default Field ,Average 为 No, Frequency Analysis 为 FFT。Launch Set Up激发场设置点击 Edit Launch Field 按钮,设置 Launch Type 为 Gaussian,L

36、aunch Width 为0.2*PeriodX , Launch Position X 为 0.34*PeriodX 。Lairich Field:厂NewPower;11Phase:南«» | DeleteoPolarizer.11.1rl 1,*"1Laur lur i rieiu lupiiurnr u i u upuuri-Type：TiltMode:MM。G日u於俯n 二Pathway:L囚囚Temporal Excitation;NoBackground N:defautType：V/sTfilsngth：Fi。叩中心号TM;Default Delta N：Phi;defoul| defaultdefault(defaultRandomi Set:Theta;Delay Time;| defaultInput File (E-Mjor): Input File (E-M inor):MdlkOLkPed品Shutoff Time：Chirp Coefficinl:defaultHeight:defaultdefaultAlign File：NoTLength:defaultSpatial Excitation:NomdizatKin:None一|Posilio