1、Optiwave軟件及應用第一章緒論1 .學習內容基千士:束傳播法：用于光波導器件設計和分析的一個軟件2 .光器件數值模擬的意義?它為光器件研究提供一個低成本的試驗空間和合理的實驗方案；?通過數值模擬，可以進一步理解光波導的基本原理光束傳播法(BeamPropagationMethod,簡寫BPM)場及大?光束傳播法是目前光波導器件研究與設計領域最流行的方法之一,其茶本思想是在紛定痂菇場的前提下.一步一步地計算中落不誨落戴而下而短?光束傳播法最早是由M.D.Feit等人于1978年研,一.一氣澈光束傳播時提出的。最早的BPM是以限速傅里葉變換(Fast-FourierTransform)稱FF

2、T)為數學手段實現的)稱為FFT-BPM。慎隹“二砒著分光束的場離散花。?D.Yevick等人于19傳播法FD-BPM?FD-BPM還被廣泛用于分析光在各種無源波導器件、具有二階非線性效應的波導以及有源器件的傳輸。3 .學習重點?學習使用本軟件；?掌握學習專業軟件的方法；?學習將已有專業知識應用于波導設計的方法粕技巧；4注意事項?入手簡單、精通較難?理論與實踐相結合?注重結果分析5RSOFT軟件綜述?美國RSOFT設計集團公司是一家世界著名的光通信模擬設計和仿真軟件開發商，也是世界上唯一一家提供一系列涵蓋器件、系統到網絡層模擬設計軟件服務的公司，產品廣泛應用于光器件、光通信系統、寬帶網中的城域

3、網、長距離傳輸設備以及接入設備的設計與開發上。?世界上有近千家光通信生產企業、科研院所在使用RSOFT的軟件從事設計和規劃工作。RSOFT設計集團在軟件的開發與銷售上都取得了令人矚目的成功，創下了多項世界第一。7Rsoft無源器件設計套裝?BeamPROP:基于光束傳播法的光波導設計軟件?FullWAVE:基于時域有限差分法的光波導設計軟件?BandSOLVE:光子晶體分析設計軟件?DiffractMOD:衍射光學結構器件分析設計軟件?GratingMOD:光柵分析設計軟件?LaserMOD:LaserMOD是用于仿真半導體激光器性能的模擬分析軟件BeamPROP?是一個高度集成了計算機輔助設

4、計和橫擬仿直的專業軟件，專用于設計集成光學波導元件和光路。此軟件由美國RSOFT公司出品，1994年投入市場，被大學及產業公司的開發設計人員廣泛使用。?此軟件使用先進的有限差分光束傳播法(finite-differencebeampropagationmethod,FD-BPM)來模擬分析光學器件。用戶界面友好，分析和俁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的設計系統，且可控制相關的模擬參數，如：數值參數、輸入場以及各種顯示、分柝功能選項。?另一程序為模擬程序，它可以在主程序內或獨立執行模擬分析工作，以圖形方式顯示場的特性以及用戶感興趣的各種數值特性。一.CA

5、D系統的功能特點：?1變量表的設置給設計帶來了很大的靈活性。?2用戶可編程功能適應于快速的參數變化。?32D結構包括：線性的、錐形的、曲線的、Y形分支波導、透鏡和多邊形?43D結構包括：光纖、通道（矩形）、擴散、脊型、多層波導、用戶自定義形式?5用戶可以自定義：波導兩端的位置、寬度、高度和沿傳皤軸方向的折處率?6每個部件都有它自己的屬性設置，通過點擊鼠標右鍵可以得到相應的對話框。參數包括形狀信息（錐形的，彎曲的，及其數值）、光學特性（折射率類型和數值）。這種基于目標（面向對象）的輸入模式非常自然和靈活。?7波導都住的每配!蓼2如:艇!坐標工寬度、折翕率）能由算術表達式指定，包括用戶自定義變量，

6、或者是一個常數。?又力t卿杷腳十完成時，波導光路輸出,作為掩模的模版。二.BeamPROP的特點：?1在全三維快速計算中使用的是ADI(alternatingdirectionimplicit)算法。?2采用透明的邊界條件。?3通過多級的PADE技術進行寬角度傳播。?4邊界配置進行動態選擇?5計算模式的傳播常數和場?6自動的遠場計算?7綜合計算因電極或熱效應產牛的折射率擾動。?8用于分析的用戶自定義的光路徑和監視器?9集成的、實時的分析和圖形顯示?10多種參數缺省值的智能選擇?11用干優化設計的自動參數掃描(2) FullWAVE?它使用有限時域差分分析法(finite-differencet

7、ime-domain,FDTD)分析一班出擊化抹葉壬n甘同的衽Ai亦中葉z五木昔公析的光電元件，例如：光子帶隙、環狀共振器等。主控下圖系聶:用來設計光波導元?主控程序是BeamPROP的完整的CAD繪圖系聶,用來設計光波導元庫和光路功能及特點?1.可畫任意晶體結構設計的繪圖工具?2.任意的段定位使結構繪圖非常靈活?3.使用BeamPROP的CAD界面：特別為設計光路設計的完整、用戶界面友好的CAD系統?3為度聿刻親耍且掠吆基于目標的輸入模式：用戶可編程的快速蓼數變更?5.二維波導結構：直線型的、錐型的、曲線型的、Y型分枝的、透鏡、多邊形的?6.三維波導結構：光纖、通道、擴散形的、脊形的，多層波

8、導和用戶自定義波導結構?7.用戶自定義的錐形波的位置、寬度、高度和沿傳播軸方向的折射率?能患n自定義折射率特性轉換為傳播軸方向的?9.為生成掩模的多層波導繪圖?10.自動生成掩模文件，格式有：AutoCAD的DXF格式、GDS-U的CAD格式?11基本的鼠標即將其鴛分岔設定絕對坐標值或度。感但隈!賽然好呼號巴睡二、勿、皆的我燈方秣丞由于二個韭位靈清的系篦在這里任何合理的愿望都可以實現，如：后置、空間變化等。?14每個部件的屬性都可以通過點擊鼠標的右鍵來獲得，參數包括形狀信息如是錐形還是曲線的，其類型和大小；光特性信息，諸如折射率類型和數值。這種基于目標設計的輸入模式非常自然和靈活。每一個波導組

9、成部分的參數（如：位置坐標、寬度、折射率）能由用戶指定的算術表達式來定義，甚至可以是一個常數。?15當圖層布局和初+完成時波導回路集詔行AutoCAD又借口GDS-IICAD文件格式輸出，以生成掩模模版。時域有限差分法特點?FullWAVE使用有限差分時域分析方法(FDTD)對任何光子部件嚴格解麥克斯韋方程，具有二維和三維模擬算法；?PML邊界條件采用PML邊界條件算法，提高計算效率；?可以計算色散、非線性材料中的傳光(3) BandSOLVE?BandSOLVE是目前世界上唯套商用的光子晶體能帶結構模擬分析設計軟件。?可以對所有光子晶體部件的能帶結構進行自動的計算，包括:二維或三維的光子晶體

10、和波導，二維或三維的腔體結構問題以及光子晶體光纖。功能特點?任意結構的能帶圖?平面的或三維的光子晶體組件的能隙設計及設計優化?腔體結構/缺陷結構?常規的和有缺陷的光子晶體光纖設計?模式場的計算與顯示(4)DiffractMOD?是一個綜合型設計工具軟件。?它應用于衍射光學結構領域，如衍射光學元件、亞光波周期性結構及光子晶體。這一軟件嚴格建立在耦合波分析技術上:?任意柵格結構和單晶格折射率特征結構的3D和2D的圖像都可以精確且清晰地顯示出來。?除了非傳導性物質，彌散的、有損耗的物質結構可以使用外，它在金屬系統也可以得到應用。應用1.彌散光學元件?2.表面光刻和大折射率光柵?3.波長濾波器?4.納

11、米平面印刷?5.偏振敏感儀器?6.人造絕緣鍍膜?7.光致電壓系統?8.三維顯示?9.激光空間通信?10.光數據存儲?11.光譜學?12.微透陣列?13.光束分裂，整合，修整(5)GratingMOD?是一種分析和綜合處理在光纖和集成光波導線路中復雜的光柵特性的設計工具。?快速算法能處理任意光柵的二維或三維光波導特性，這使得GratingMOD成為Rsoft公司軟件庫的一個有效的補充。分析對象?色散補償?復用/解復用?上傳/下載濾波器?光放大器中的增益平坦濾波器?波長轉換器?錐形波導光柵?光柵助耦合器?多段光柵回路?帶相位偏移的光柵?表面凹凸與大折射率光柵(6)LaserMOD?是用于仿真半導體

12、激光器性能的模擬分析軟件。此軟件以伊利諾斯大學所開發的著名的Minilas-II算法為基礎。?LaserMOD通過CAD制圖和使用量化器件幾何結構的全耦合數值法則，求解光載波傳輸，光學特性與載流子-光子之間的交互作用。?模式求解ContourMapofTransverseIndexProfileatZ=01.46X(um)2模場分布-10010?基模LP01VerticalDirection(即)HorizontalDirection(gm)nn-10?二階模LP110100,0HorizontalDirection(gm)-12.5'-IUUIu?LP02VerticalDirect

13、ion(gm)HorizontalDirection(jxm)1.012.5.-IWUIULP21HorizontalDirection(gm)-12.50.012.512.5?波導耦合R5oftCAJDLayoutBeamTROPE;VchETt.EsoftYolctmodcconwctcrLP021pr：Dp.mit:itled-ind4FiliEli!Va*w5打ogeRunftirtph1T+ility齒nd的vH*lpdiContourMapofTransverseIndexProfileatZ=03020odiodi20-30-mZJIXEm>-x104-40-2002040

14、X(|im)-Pathway,-Monitor:tMode0,Mode0MonitorValue(a.u.)?場分布變化過程?光開關RSoftCADLayout一Bea*PROP-C:RSoftexa>plesBeaBPROPELECTROD.IND-n1X4FileEditViewOptionsRunGraphUtilityWindowHelpI畫回國BEM圈圈EM窈BEB官!蝴劇園網離SelectModeX：15.8Z：2500.0開通6000T9000T3000T0-20-1001020X（國Tl）_Pathway,1.0.Monitor:一_1,Launch0.0-2.Launch1.00.50.0MonitorValue(a.u.)I6"舊III1J-20-10010：X(p.m)_|_Pathway,卜-Monitor10I