Rsoft軟件簡介和使用教程

1、Rsoft軟件簡介和使用教程RSOFT 使用教程目錄Rsoft簡介 錯(cuò) 誤！未定義書簽。Chapter 7 Tutorials 第七章 教程 1 3Tutorial 1: Ring Resonator 教程 1：環(huán)形 共振器 1. 3Device Layout: 器件結(jié)構(gòu)： 1 4Defining Variables 定義變量 1 5Drawing the Structure 畫器件結(jié)構(gòu)圖1. 6Checking the Index Profile 核對折射 率分布 2. 0Adding Time Monitors 添加時(shí)間監(jiān)視（探測）器 2. 2Simulation: Pulsed Exci

2、tation 模擬：脈沖激 發(fā)2. 4Launch Field 激發(fā)場 2 4Wavelength/Frequency Spectrum 波長/頻率光譜 2. 4Increasing the Resolution of the FFT 提高 FFT 的分辨率 2. 7Simulation: CW Excitation 模擬：連續(xù)激 發(fā)2. 9Tutorial 2: PBG Crystal: Square Lattice 教程 2：PBG 晶體：四方晶格 3 1Lattice layout 晶格布局 3 1Base Lattice Generation 基準(zhǔn)晶格的創(chuàng)建 3. 2Lattice C

3、ustomization 定制晶格 3 2Checking the Index Profile 核對折射3. 3率分布視器Inserting Time Monitors 插入時(shí)間監(jiān).3. 5Launch Set Up 激發(fā)場設(shè)置 3 5Simulation 模擬3. 6Data Analysis 數(shù)據(jù)分析 3 8Switching Polarization 改變偏振為TM 模3. 9Periodic Boundary Condition Set Up 4 0Tutorial 3: PBG Crystal: Tee Structure 教程 3：PBG 晶體： T 型結(jié)構(gòu) 4 0Tutorial

4、 4: PBG Crystal: Defect Mode 教程四： PBG 晶體：缺陷模型 4 056GratingMOD ：用以設(shè)計(jì)并分析在 光纖 /波導(dǎo)光柵元件之應(yīng)用軟件。 體。其對于發(fā) 展 WDM 與 DWDM 特別有助益。 它適合用來 分析已知光柵結(jié)構(gòu) (Design)，亦可藉由量測或已 它適合用來分析已知光柵結(jié)構(gòu) (Design)，亦可藉 由量測或已知頻譜決定該光柵之特性 (Synthesis。) 知頻譜決定該光柵之特性 (Synthesis。) GratingMOD 可以設(shè)計(jì)分析任何波 導(dǎo)橫向結(jié)構(gòu) (Transverse GratingMOD 可以設(shè)計(jì) 分析任何波導(dǎo)橫向結(jié)構(gòu) (Tr

5、ansverse Profile)，因 為它使用 BeamPROP 的 CAD 繪圖界面設(shè)計(jì)光 柵結(jié)構(gòu)，并采用正交藕合模態(tài)理論 (OrthogonalProfile)，因?yàn)樗褂?BeamPROP 的 CAD 繪圖界面設(shè)計(jì)光柵結(jié)構(gòu)，并采用正交藕合 模(Orthogonal Coupled-Mode Theory) 與轉(zhuǎn)移 矩陣法 (Transfer Matrix Method) 有效地分析光 柵特性。 Coupled-Mode Theory)與轉(zhuǎn)移矩陣法 (Transfer Matrix Method) 有效地分析光柵特 性。 GratingMOD GratingMOD 可定義周期性 縱向微擾

6、 (Periodic Longitudinal Perturbation) 以產(chǎn)生縱向光柵結(jié)構(gòu)。 可定義周期性縱向微擾 (Periodic Longitudinal Perturbation)以產(chǎn)生縱 向光柵結(jié)構(gòu)。 其使得 GratingMOD 其使得 GratingMOD 適用於 2D/3D 的模擬，且運(yùn)算速 度較 Bi-Directional BPM 更快速。適用于 2D/3D 的模擬，且運(yùn)算速度較 Bi-Directional BPM 更快 速。DiffractMOD ：適用于繞射光學(xué)結(jié)構(gòu) - 例如:繞射光學(xué)元件、次波長周期性結(jié)構(gòu)、光子 能隙晶體的模擬設(shè)計(jì)軟體。 元件、 亞波長周期性 結(jié)

7、構(gòu)、光子能隙晶體的模擬設(shè)計(jì)軟體。 DiffractMOD 運(yùn)用包含快速傅立葉分解 (fast Fourier factorization)與泛用傳輸線公式 (generalized transmission line formulation)的 - 嚴(yán)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 精確有效地模擬 - 具有任意網(wǎng)格結(jié)構(gòu) 它可以精 確有效地模擬 -具有任意網(wǎng)格結(jié)構(gòu)與基本單元折 射率剖面的 2D/3D 結(jié)構(gòu)，并能分析介電 (diele

8、ctric)、色散 (dispersive)與耗損 (lossy)等 與 基本單元折射率剖面的 2D/3D 結(jié)構(gòu)，并能分析 介電(dielectric)、色散(dispersive)與耗損 (lossy) 等材料結(jié)構(gòu)。 材料結(jié)構(gòu)。 再者, 使用者可彈性控 制入射方向 (incident direction) 與照度極化 (polarization of 再者 ,使用者可彈性控制入射方 向 (incident direction)與照度極化 (polarization of illumination) 以完成模擬。 illumination)以完成模擬。 DiffractMOD 與其他 RSof

9、t 所開發(fā)- BeamPROP 、 FullWAVE 、 BandSOLVE 、 GratingMOD 等元件 模擬軟體共用 CAD 布局 界面 。軟體共用 CAD 布局界面 。此 CAD 界面10 提供 任意輪廓的精確定義與全參數(shù)化的設(shè)計(jì)模 型環(huán)境。 DiffractMOD 中的繞射結(jié)構(gòu)布局 ,可直 接選用 FullWAVE (FDTD) 進(jìn)行時(shí)域響應(yīng) (time-domain response模) 擬，或選用 BandSOLVE (PWE) 進(jìn)行能帶結(jié)構(gòu)分析 (band structure analysis)。FemSIM ：運(yùn)用有限元素法(FEM- Finite Element Meth

10、od) 的泛用光子元件 解模器 (mode solver)，透過非均勻網(wǎng)格 (non-uniform mesh)可用來計(jì)算任意元件中的任 何橫切 (transverse)與腔體 (cavity)模態(tài)紀(jì)錄。應(yīng) 用：可分析任何形狀的元件 -包含彎曲與罕見的 形狀。高度混合型元件 -具高折射率對比 (high index contrast與) small feature sizes的元 件結(jié)構(gòu)。耗損結(jié)構(gòu) (Lossy structures)。 硅晶元件 (例如:絕緣層上硅晶- SOIs- Silicon on Insulator)。極化旋轉(zhuǎn)器 (Polarization rotators)?？招幕?qū)?/p>

11、心光晶光纖11(Air or solid core photonic fibers。) 雷射與光能 隙晶體之缺陷與腔體(Laser and PBG defect cavities。)MOST ：用以優(yōu)化設(shè)計(jì)分析光電元件之 軟體模組。以優(yōu)化設(shè)計(jì)分析光電元件之軟體模 組。初階的光子模型建立基本上牽涉到模擬， 借 以探究問題的相關(guān)物理特性 ;對於元件制造的設(shè) 計(jì)周期而言，了解系統(tǒng)完整的參數(shù)空間便顯得不 可或缺。性 ;對于元件制造的設(shè)計(jì)周期而言，了 解系統(tǒng)完整的參數(shù)空間便顯得不可或缺。 這可能 牽涉到對合適范圍參數(shù)空間的系統(tǒng)搜尋與多重 維度的自動優(yōu)化。 空間的系統(tǒng)搜尋與多重維度 的自動優(yōu)化。做為 RS

12、oft 光子元件模擬軟體的自 動優(yōu)化模組，MOST 可簡化參數(shù)掃描與優(yōu)化的定 義、計(jì)算及分析。掃描與優(yōu)化的定義、計(jì)算及分 析。12Chapter 7 Tutorials 第七章 教程所有的教程都在 Rsoft 安裝目錄 (EXAMPLESFULLWAVETUTORIA) 下可以 找到原型實(shí)例。Tutorial 1: Ring Resonator 教程 1：環(huán)形共振器本部分討論環(huán)形共振器的創(chuàng)建與分析。 環(huán)形 共振器是一種應(yīng)用廣泛的高 Q 值波長濾波器。首先介紹器件的布局與設(shè)置， 然后討論脈沖 分析( a pulse analysi)s 。脈沖計(jì)算( pulsed calculation)可以產(chǎn)生

13、一個(gè)光譜響應(yīng)，讓分析器 件的光譜特性，從而可以回避在連續(xù)模式下 (CW )對整個(gè)波長的參數(shù)掃描， 節(jié)省分析時(shí)間， 提高分析效率。 最后，我們對器件的某一共振波 長進(jìn)行連續(xù)模擬( CW simulation)。13Device Layout: 器件結(jié)構(gòu)：我們接下來要模擬的環(huán)形共振器為寬為0.2 m 、折射率為 3 的波導(dǎo)，其共振波長約為 2 m。步驟：1、 打開 RSoft CAD-Layout ：2、 點(diǎn)擊創(chuàng)建新結(jié)構(gòu)按鈕 ( New Circuit icon)3、 設(shè)置如下參數(shù)(見下圖)：Free Space Wavelength： 2； WaveguideWidth ： 0.2；14Back

14、ground Index： 1； Index Difference2Defining Variables 定義變量單擊 Edit Symbols 按鈕Gap = 0.2L = 0.5 R = 1.7R1= R-width/2 R2= R+width/2.15Drawing the Structure 畫器件結(jié)構(gòu)圖我們將作圓形的波導(dǎo) （環(huán)）：首先畫個(gè)圓盤， 然后在其中間挖個(gè)洞。步驟：1、 從菜單中選擇 Options/Insert/Lens：2、 設(shè)置 Waveguide Width： 2*R2 ，F(xiàn)rontRadius ： R2 ， Back Radius： R2；163、 中心挖洞： Sel

15、ect Mode icon左, 擊畫好的 圓盤（ Lens #1），左擊 Duplicate Selection 按鈕，右擊圓盤（ Lens #2） . 設(shè)置 Waveguide Width： 2*R1, Front Radius： R1, Back Radius： R1 and the Index Difference： 0；點(diǎn)擊對話框中的 More 按 鈕， 設(shè)置 Display Color：Yellow, Priority Level： 1, Background Index： background_index+delta.174、 接下來部分做一個(gè) bus waveguide：s 點(diǎn)擊

16、 Segment Mode按鈕 ，在右邊畫個(gè)段狀波 導(dǎo)，參數(shù)設(shè)置如圖所示：185、 復(fù)制一個(gè)條形波導(dǎo)，參數(shù)設(shè)置如下圖所 示：19Checking the Index Profile 核對折射率分布 為了查看器件各部分折射率分布，點(diǎn)擊 Display Index Profile 按鈕 ，選擇顯示模式 Display Mode 為 ContourMap(XZ) ，設(shè)置參數(shù) 如圖所示：20點(diǎn)擊 Ok 按鈕后，出現(xiàn)下圖描述的折射率分布情況（第二個(gè)圓盤優(yōu)先級別 更高）：21Adding Time Monitors 添加時(shí)間監(jiān)視(探測)器接下來將在器件中插入時(shí)間監(jiān)視器， 為后面 分析做準(zhǔn)備。 我們將用兩個(gè)

17、監(jiān)視器來測量場透 射和衰減( transmitted and dropped)情況。步驟：1、 選擇菜單 Options/Insert/Time Monitor ：2、 選擇監(jiān)視器， 復(fù)制一個(gè)，設(shè)置參數(shù)如下圖 所示：223、 最后器件的結(jié)構(gòu)如圖所示：23Simulation: Pulsed Excitation 模擬：脈沖激發(fā)這部分討論環(huán)形共振器的模擬和分析。 我們 將首先計(jì)算該共振器的一個(gè)波長 /頻率光譜，然 后模擬器件工作在共振波長下場的分布情況。Launch Field 激發(fā)場 設(shè)置激發(fā)場的空間特征和時(shí)間特征。 點(diǎn)擊 Edit Pathways 按鈕 ，點(diǎn) NewPathway 按鈕 ，

18、 左擊左邊條狀波導(dǎo)，它的 顏色變成亮的綠色，點(diǎn)擊 OK 。此時(shí)，我們已經(jīng) 建立一個(gè) Pathway #1，單擊 Edit Launch Field 按鈕 ，注意設(shè)置 Launch Pathway 序號為 1. Launch Type 為 Slab Mode ，點(diǎn)擊 OK ，返回 CAD 窗口。Wavelength/Frequency Spectrum 波長 /頻率光譜點(diǎn)擊 Perform Simulation 按鈕，設(shè)置擬參數(shù) . 時(shí)間步長 Time Step 設(shè)置足夠小以滿 足柯朗穩(wěn)定性條件(Courant stability condition),24在空間網(wǎng)格尺寸( Grid Size

19、)為 0.02 m ， 我們可以設(shè)置時(shí)間步長為 0.0135。接下來，點(diǎn)擊 Output 按鈕，在 FDTD Output Options 窗口設(shè)置輸出選項(xiàng)，確認(rèn) me Monitor 和 Wavelength Monitor，和 Frequency Monitor 設(shè)為 Yes，然后點(diǎn)擊 OK 按鈕關(guān)閉窗口。25接下按 Display 按鈕，設(shè)置 Outline Color 為黑色 Black。按下 OK 后，最后開始模 擬。模擬結(jié)束后，結(jié)果如下圖所示，其中下方曲 線圖為來自 time monitors的結(jié)果。26Increasing the Resolution of the FFT 提高

20、 FFT 的分辨率要分析波長光譜，可以 View Graphs 按鈕，選擇 ring_pulse.pwm文件，顯示如下圖，27譜線態(tài)粗糙了，可以通過設(shè)置更大的 stop time 值來提高譜線光滑度。 下圖為 Stop Time 設(shè) 為 215*fdtd_time_step 時(shí)的結(jié)果。28Simulation: CW Excitation 模擬：連續(xù)激發(fā)通過脈沖激發(fā)模擬， 我們可作出環(huán)形共振器 的波長光譜。 在連續(xù)激發(fā)下， 我們將分析共振器 在波長為 1.977 m 的情形。 D點(diǎn)擊 Edit Global Settings按鈕 ，設(shè)置 Free Space Wavelength： 1.977

21、。點(diǎn)擊 Perform Simulation 按鈕，將激發(fā)模 式 Excitation 設(shè)為 CW ，同時(shí)將 Stop Time 設(shè) 為 214*fdtd_time_step，輸入一個(gè)新的輸出文 件前綴 Output File Prefix ，如 ring_cw。模擬結(jié) 構(gòu)如下圖所示。29上圖連續(xù)激發(fā) CW 模擬結(jié)果與脈沖激發(fā)所 預(yù)言相一致。我們看出在波導(dǎo)中電場能量 逐漸 增強(qiáng)，最后電磁場幾乎全部傳輸?shù)捷敵霾▽?dǎo)。 因 此，通過利用脈沖激發(fā)和連續(xù)激發(fā)兩種類型的模30 擬計(jì)算，我們?nèi)菀啄塬@得器件的光譜響應(yīng)及其工 作在共振波長的電場場傳播情形。Tutorial 2: PBG Crystal: Squ

22、are Lattice教程 2： PBG 晶體：四方晶格（ PBG: photonic-bandgap 光子帶隙） 這個(gè)教程主要介紹光子晶體晶格 （四方晶格 為例）作圖，然后利用 FDTD 方法分析這些晶 格的光學(xué)性質(zhì)。 我們將計(jì)算此光子晶體的光譜 響應(yīng)，從而揭示存在光子帶隙。 分析過程采用時(shí) 間響應(yīng)譜的傅立葉變換來獲得系統(tǒng)的頻率響特 性。整個(gè)模擬過程將進(jìn)行兩次計(jì)算， 分別對應(yīng)于 兩種邊界條件：完美匹配層邊界條件 PML ；周 期性邊界 條件。Lattice layout 晶格布局建立晶格的方法有多種，接下來我們采用 Array Layout XZ utility 工具來創(chuàng)建所需的四方 晶格。

23、31Base Lattice Generation 基準(zhǔn)晶格的創(chuàng)建菜單 Utility/Array Layout XZLattice Customization 定制晶格點(diǎn)擊 Edit Global Settings按鈕 ，設(shè)置背景 折射率 Background Index 為 1，折射率差 Index Difference 為 2.4（GaAs） ，偏振 Polarization 為 TE ，自由空間波長 Free Space Wavelength 為 Period/0.45。按 OK 關(guān)閉窗口。32設(shè)置變量 Period= 0.6 m， Radius=0.18)Checking the I

24、ndex Profile 核對折射率分布點(diǎn)擊 Display Index Profile 按鈕 ，設(shè)置 Display Mode 為 ContourMap (XZ) ， Compute Step in X and Z 為 0.02， Slice Step in both X and Z 為 Compute Step。33點(diǎn)擊 OK 后，結(jié)果見下圖34Inserting Time Monitors 插入時(shí)間監(jiān)視器菜單 Options/Insert/Time Monitors ，設(shè)置time Monitor Type 為 Default Field ， TimeAverage為 No，F(xiàn)requency Analysis為 FFT。Launch Set