1、江苏大学陈明阳,Optiwave 软件及应用,陈明阳2007.9,江苏大学陈明阳,第一章 绪论,1. 学习内容 基于光束传播法，用于光波导器件设计和分析的一个软件2. 光器件数值模拟的意义 它为光器件研究提供一个低成本的试验空间和合理的实验方案； 通过数值模拟，可以进一步理解光波导的基本原理。,江苏大学陈明阳,光束传播法(Beam Propagation Method，简写BPM),光束传播法是目前光波导器件研究与设计领域最流行的方法之一，其基本思想是在给定初始场的前提下，一步一步地计算出各个传播截面上的场。光束传播法最早是由M.D.Feit等人于1978年研究光场及大气激光束传播时提出的。最
2、早的BPM是以快速傅里叶变换(Fast-Fourier Transform，称FFT)为数学手段实现的，称为FFT-BPM。D.Yevick等人于1989年提出了一种新方法有限差分光束传播法FD-BPM，用差分的方法将横截面上的场离散化。FD-BPM还被广泛用于分析光在各种无源波导器件、具有二阶非线性效应的波导以及有源器件的传输。,江苏大学陈明阳,3. 学习重点学习使用本软件；掌握学习专业软件的方法；学习将已有专业知识应用于波导设计的方法和技巧；,江苏大学陈明阳,4 注意事项入手简单、精通较难理论与实践相结合注重结果分析,江苏大学陈明阳,5 RSOFT 软件综述,美国RSOFT设计集团公司是一
3、家世界著名的光通信模拟设计和仿真软件开发商,也是世界上唯一一家提供一系列涵盖器件、系统到网络层模拟设计软件服务的公司，产品广泛应用于光器件、光通信系统、宽带网中的城域网、长距离传输设备以及接入设备的设计与开发上。 世界上有近千家光通信生产企业、科研院所在使用RSOFT的软件从事设计和规划工作。RSOFT设计集团在软件的开发与销售上都取得了令人瞩目的成功,创下了多项世界第一。,江苏大学陈明阳,7 Rsoft 无源器件设计套装,BeamPROP ：基于光束传播法的光波导设计软件FullWAVE ：基于时域有限差分法的光波导设计软件BandSOLVE：光子晶体分析设计软件DiffractMOD： 衍
4、射光学结构器件分析设计软件GratingMOD： 光栅分析设计软件LaserMOD：LaserMOD是用于仿真半导体激光器性能的模拟分析软件,江苏大学陈明阳,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。此软件由美国RSOFT公司出品，1994年投入市场，被大学及产业公司的开发设计人员广泛使用。此软件使用先进的有限差分光束传播法 (finite-difference beam propagation method, FD-BPM)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。,江苏大学陈明阳,其主程序为一套完善的用于设计
5、光波导元件和光路CAD的设计系统，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。另一程序为模拟程序，它可以在主程序内或独立执行模拟分析工作，以图形方式显示场的特性以及用户感兴趣的各种数值特性。,江苏大学陈明阳,一. CAD系统的功能特点：,1 变量表的设置给设计带来了很大的灵活性。 2 用户可编程功能适应于快速的参数变化。3 2D结构包括：线性的、锥形的、曲线的、Y形分支波导、透镜和多边形 4 3D结构包括：光纤、通道(矩形)、扩散、脊型、多层波导、用户自定义形式5 用户可以自定义：波导两端的位置、宽度、高度和沿传播轴方向的折射率,江苏大学陈明阳,6 每个部件都有它自
6、己的属性设置，通过点击鼠标右键可以得到相应的对话框。参数包括形状信息（锥形的，弯曲的，及其数值）、光学特性（折射率类型和数值）。这种基于目标（面向对象）的输入模式非常自然和灵活。7 波导部件的每个参数（如：位置坐标、宽度、折射率）能由算术表达式指定，包括用户自定义变量，或者是一个常数。 8 当制图和设计完成时，波导光路输出，作为掩模的模版。,江苏大学陈明阳,二. BeamPROP的特点：,1在全三维快速计算中使用的是ADI（alternating direction implicit）算法。2 采用透明的边界条件。3 通过多级的PADE技术进行宽角度传播。 4 边界配置进行动态选择 5 计算模
7、式的传播常数和场 6 自动的远场计算 7 综合计算因电极或热效应产生的折射率扰动。 8 用于分析的用户自定义的光路径和监视器 9 集成的、实时的分析和图形显示 10 多种参数缺省值的智能选择 11 用于优化设计的自动参数扫描,江苏大学陈明阳,(2) FullWAVE,是一个高度集成的应用于复杂的光电元件模拟设计分析软件。它使用有限时域差分分析法（finite-difference time-domain, FDTD）分析一般光束传播法和其他软件包所无法建模分析的光电元件，例如：光子带隙、环状共振器等。 主控程序是BeamPROP的完整的CAD 绘图系统, 用来设计光波导元件和光路。,江苏大学陈
8、明阳,功能及特点,1.可画任意晶体结构设计的绘图工具 2.任意的段定位使结构绘图非常灵活 3.使用BeamPROP的CAD界面：特别为设计光路设计的完整、用户界面友好的CAD系统 4.为灵活设计采取自然的、基于目标的输入模式：用户可编程的快速参数变更 5.二维波导结构: 直线型的、锥型的、曲线型的、Y型分枝的、透镜、多边形的 6.三维波导结构 : 光纤、通道、扩散形的、脊形的，多层波导和用户自定义波导结构 7.用户自定义的锥形波的位置、宽度、高度和沿传播轴方向的折射率,江苏大学陈明阳,8.用户自定义折射率特性，转换为传播轴方向的折射率 9.为生成掩模的多层波导绘图 10.自动生成掩模文件，格式
9、有：Auto CAD的DXF格式、GDS-的CAD格式 11 基本的波导元件象直线的、锥形的、Y形分岔的波导切片容易在工具栏中选择，用鼠标即将其填加到绘图当中。 12 位置坐标也可直接设定：设定绝对坐标值或通过设定与任何其他光波导器件的位移和角度。 13 任何时候，一个或几个组件可能被选择、移动、比例放大或缩小、删除或重新插入。我们独特的设计方法来自于一个非常灵活的系统，在这里任何合理的愿望都可以实现，如：后置、空间变化等。,江苏大学陈明阳,14 每个部件的属性都可以通过点击鼠标的右键来获得，参数包括形状信息如是锥形还是曲线的，其类型和大小；光特性信息，诸如折射率类型和数值。这种基于目标设计的
10、输入模式非常自然和灵活。每一个波导组成部分的参数（如：位置坐标、宽度、折射率）能由用户指定的算术表达式来定义，甚至可以是一个常数。 15 当图层布局和设计完成时波导回路能运行AutoCAD 文件和GDS-IICAD文件格式输出，以生成掩模模版。,江苏大学陈明阳,时域有限差分法特点,FullWAVE使用有限差分时域分析方法（FDTD）对任何光子部件严格解麦克斯韦方程，具有二维和三维模拟算法；PML边界条件 采用PML边界条件算法，提高计算效率；可以计算色散、非线性材料中的传光,江苏大学陈明阳,（3）BandSOLVE,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。
11、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体和波导，二维或三维的腔体结构问题以及光子晶体光纤。,江苏大学陈明阳,功能特点,任意结构的能带图 平面的或三维的光子晶体组件的能隙设计及设计优化 腔体结构/ 缺陷结构 常规的和有缺陷的光子晶体光纤设计 模式场的计算与显示,江苏大学陈明阳,(4)DiffractMOD,是一个综合型设计工具软件。它应用于衍射光学结构领域，如衍射光学元件、亚光波周期性结构及光子晶体。这一软件严格建立在耦合波分析技术上；任意栅格结构和单晶格折射率特征结构的3D和2D的图像都可以精确且清晰地显示出来。除了非传导性物质，弥散的、有损耗的物质结构可以使
12、用外，它在金属系统也可以得到应用。,江苏大学陈明阳,应用, 1. 弥散光学元件 2. 表面光刻和大折射率光栅 3. 波长滤波器 4. 纳米平面印刷 5. 偏振敏感仪器 6. 人造绝缘镀膜 7. 光致电压系统 8. 三维显示 9. 激光空间通信 10. 光数据存储 11. 光谱学,江苏大学陈明阳,12. 微透阵列 13. 光束分裂，整合，修整,江苏大学陈明阳,(5)GratingMOD,是一种分析和综合处理在光纤和集成光波导线路中复杂的光栅特性的设计工具。快速算法能处理任意光栅的二维或三维光波导特性， 这使得GratingMOD成为Rsoft公司软件库的一个有效的补充。,江苏大学陈明阳,分析对象
13、,色散补偿 复用/解复用 上传/下载滤波器 光放大器中的增益平坦滤波器 波长转换器 锥形波导光栅 光栅助耦合器 多段光栅回路 带相位偏移的光栅 表面凹凸与大折射率光栅,江苏大学陈明阳,(6) LaserMOD,是用于仿真半导体激光器性能的模拟分析软件。此软件以伊利诺斯大学所开发的著名的Minilas-II 算法为基础。 LaserMOD通过CAD制图和使用量化器件几何结构的全耦合数值法则，求解光载波传输，光学特性与载流子-光子之间的交互作用。,江苏大学陈明阳,模式求解,江苏大学陈明阳,江苏大学陈明阳,2模场分布,基模LP01,江苏大学陈明阳,江苏大学陈明阳,二阶模LP11,江苏大学陈明阳,江苏
14、大学陈明阳,LP02,江苏大学陈明阳,江苏大学陈明阳,LP21,江苏大学陈明阳,江苏大学陈明阳,波导耦合,江苏大学陈明阳,江苏大学陈明阳,江苏大学陈明阳,场分布变化过程,江苏大学陈明阳,光开关,江苏大学陈明阳,江苏大学陈明阳,开通,江苏大学陈明阳,关断,江苏大学陈明阳,江苏大学陈明阳,江苏大学陈明阳,江苏大学陈明阳,第二章 常用CAD操作,一. 软件使用示例1. 分支波导模拟,江苏大学陈明阳,(1)创建新光路,江苏大学陈明阳,江苏大学陈明阳,江苏大学陈明阳,江苏大学陈明阳,江苏大学陈明阳,江苏大学陈明阳,(2)绘制波导,江苏大学陈明阳,波导的绘制,基本操作方法:左键点击起点,松开后拖动鼠标,点
15、击终点左键点击起点, 拖动鼠标,点击终点,江苏大学陈明阳,(3)创建新变量,江苏大学陈明阳,(4)设置波导参数,江苏大学陈明阳,江苏大学陈明阳,江苏大学陈明阳,江苏大学陈明阳,江苏大学陈明阳,江苏大学陈明阳,(5)计算折射率分布,江苏大学陈明阳,江苏大学陈明阳,(6)运行模拟程序,江苏大学陈明阳,江苏大学陈明阳,江苏大学陈明阳,(7)观察计算结果,江苏大学陈明阳,江苏大学陈明阳,二. 菜单介绍,江苏大学陈明阳,江苏大学陈明阳,江苏大学陈明阳,江苏大学陈明阳,江苏大学陈明阳,江苏大学陈明阳,江苏大学陈明阳,江苏大学陈明阳,江苏大学陈明阳,江苏大学陈明阳,江苏大学陈明阳,江苏大学陈明阳,江苏大学陈
16、明阳,三 工具栏,江苏大学陈明阳,新建,打开,保存,江苏大学陈明阳,撤消上次做的修改,只能撤消一次修改,复制(拷贝+粘贴),江苏大学陈明阳,水平方向翻转,垂直方向翻转,旋转,江苏大学陈明阳,例:,绘制如图所示的对称波导,江苏大学陈明阳,绘制弧形波导,江苏大学陈明阳,选中并复制波导,江苏大学陈明阳,移动波导,江苏大学陈明阳,水平翻转波导,江苏大学陈明阳,移动波导,江苏大学陈明阳,刷新光路图,打开图形文件,打开数据浏览器,打开CAD帮助,打开模拟引擎帮助,江苏大学陈明阳,江苏大学陈明阳,选择模式,放大模式,直波导模式,弧形波导模式,分支波导模式,S弯曲弧形波导模式,模拟区模式,示例,江苏大学陈明阳
17、,只能在绘制波导时起作用,偏移量参考,角度参考,波导Z轴,江苏大学陈明阳,江苏大学陈明阳,全局设置(打开初始对话框),变量表,多层波导编辑框,监视路径设置,监视器设置,初始场设置,江苏大学陈明阳,运行程序,计算波导折射率,参数扫描,模式求解,江苏大学陈明阳,四 变量表,主要功能:1.改变内建变量的值2.创建新变量,江苏大学陈明阳,江苏大学陈明阳,常用内建变量,alpha: 波导折射率虚部background_index: 背景折射率delta:缺省波导折射率差free_space_wavelength:自由空间光波长height:波导高度缺省值width:波导宽度缺省值k0=(2*pi)/fr
18、ee_space_wavelength,江苏大学陈明阳,变量名,变量值,当前值,江苏大学陈明阳,接受修改/创建的变量,放弃修改/创建的变量,新建变量,删除变量,江苏大学陈明阳,1.修改变量过程(1)选中需要修改的变量,江苏大学陈明阳,修改表达式的值,江苏大学陈明阳,江苏大学陈明阳,创建新变量(1)点击New Symbol按钮,江苏大学陈明阳,(2)输入变量名及其表达式,江苏大学陈明阳,(3)点击Accept Symbol,江苏大学陈明阳,说明1.不能删除内建变量;2.创建变量必须先点New Symbol按钮;3.变量值可以为包含已定义变量的表达式以及常用函数;3.必须点OK,修改/创建才生效.
19、,江苏大学陈明阳,江苏大学陈明阳,应用举例,width=4,江苏大学陈明阳,width=8,江苏大学陈明阳,第三章 基本操作,1. 波导结构及参数设置 顶点设置 波导类型设置 锥形区设置2. 初始对话框设置3.运行程序,江苏大学陈明阳,波导维度举例,江苏大学陈明阳,江苏大学陈明阳,横截面折射率分布,二维波导,江苏大学陈明阳,横截面折射率分布,三维波导,江苏大学陈明阳,江苏大学陈明阳,圆波导,江苏大学陈明阳,通道波导（矩形波导）,江苏大学陈明阳,首先将波导参数简化,由两部分组成: 1.波导两端的几何结构 波导宽度(width)、高度(height)和波导两端中心的位置2.波导两端的中心位置的折射
20、率,江苏大学陈明阳,江苏大学陈明阳,江苏大学陈明阳,用折射率差表示波导折射率,n0为背景折射率，n为波导折射率与背景折射率之差,江苏大学陈明阳,二维波导参数设置,(x1,z1),(x0,z0),江苏大学陈明阳,三维波导参数设置特点：通过波导两端面的折射率分布及位置参数来确定整个三维波导的参数更进一步地，通过设置波导两端面中心处的参数（x,y,z坐标、与背景材料折射率差）及波导的两端的宽度和高度来确实整个波导的参数x,z坐标可在绘制波导时确定,y坐标须通过设置波导属性获得,江苏大学陈明阳,横截面的折射率分布称为profile波导纵向的折射率分布称为taper,江苏大学陈明阳,圆波导,江苏大学陈明
21、阳,通道波导(矩形波导),江苏大学陈明阳,扩散波导,江苏大学陈明阳,江苏大学陈明阳,脊形波导,江苏大学陈明阳,多层波导,江苏大学陈明阳,波导参数对话框设置,江苏大学陈明阳,江苏大学陈明阳,公共信息(Common Information),江苏大学陈明阳,顶点信息(Vertex Information),起点(Start Vertex),江苏大学陈明阳,终点(Ending Vertex),江苏大学陈明阳,其它信息,江苏大学陈明阳,顶点设置,波导折射率差,波导折射率虚部,波导宽度,波导高度,江苏大学陈明阳,折射率虚部定义:表示能量衰减形式为:,江苏大学陈明阳,顶点信息,y值,x值,x值,参考类型,
22、江苏大学陈明阳,江苏大学陈明阳,参考类型,参数值,顶点的绝对坐标=参数值+参考点的坐标值,参考波导的序号,参考顶点序号0表示起点1表示终点,江苏大学陈明阳,偏移量参考(相对值)参考点可以为波导的另一端点也可以为另一波导的某一端点,江苏大学陈明阳,例1,江苏大学陈明阳,江苏大学陈明阳,江苏大学陈明阳,江苏大学陈明阳,江苏大学陈明阳,偏移参考优点:1.设置波导长度2.可以方便地调整由多个部件组成的波导的尺寸3.调整波导长度而不影响波导的角度,江苏大学陈明阳,波导的粘连 当绘制的波导2的某一端点a与已绘制的一波导1的某一端点b距离很近时,两波导端点会自动连接起来 即波导2的端点坐标a将以b点为参考。
23、 实例演示,江苏大学陈明阳,波导类型设置,二维波导,江苏大学陈明阳,江苏大学陈明阳,江苏大学陈明阳,三维波导,光纤,江苏大学陈明阳,江苏大学陈明阳,横截面折射率分布,江苏大学陈明阳,江苏大学陈明阳,横截面折射率分布,江苏大学陈明阳,其它几种类型的波导: Diffused(扩散型),Ridge(脊形),Multilayer(多层)波导,需要预先设定,江苏大学陈明阳,公共信息(Common Information),Taper(渐变区)设置,江苏大学陈明阳,公共信息(Common Information),Taper(渐变区)设置,波导中心处x坐标是z的函数即x=f(z),江苏大学陈明阳,可选择类
24、型,江苏大学陈明阳,线性(linear),江苏大学陈明阳,平方型(Quadratic),江苏大学陈明阳,指数型(Exponential),江苏大学陈明阳,弧形(Arc ),江苏大学陈明阳,自定义类型(New Taper),可以自己设置f(z)函数或x与z的数值关系,江苏大学陈明阳,折射率渐变(Index Taper),设置波导区的折射率变化规律,即折射率为z的函数, n=f(z),江苏大学陈明阳,江苏大学陈明阳,线性(linear) 缺省设置,江苏大学陈明阳,平方型(Quadratic),江苏大学陈明阳,指数型(Exponential),江苏大学陈明阳,设置波导区的宽度与z的变化关系,w=f(
25、z),宽度渐变(Width Taper),江苏大学陈明阳,江苏大学陈明阳,江苏大学陈明阳,江苏大学陈明阳,江苏大学陈明阳,江苏大学陈明阳,Y方向渐变,江苏大学陈明阳,江苏大学陈明阳,2. 初始对话框设置,功能:设置基本信息(维度,计算工具,矢量特性等)设置波导缺省参数(背景折射率、波导宽度、高度、折射率差等）缺省波导类型设置,江苏大学陈明阳,江苏大学陈明阳,江苏大学陈明阳,波导维度,圆对称波导计算,江苏大学陈明阳,模拟工具,江苏大学陈明阳,自由空间光波长free_space_wavelength,背景折射率background_index,波导与背景折射率差delta,波导宽度width,波导高度height,江苏大学陈明阳,江苏大学陈明阳,江苏大学陈明阳,波导类型及特殊参数设置,江苏大学陈明阳,纸张大小，以微米为单位,江苏大学陈明阳,小提示,在缺省情况下,软件中与尺寸、波长有关的参数均以微米为单位,江苏大学陈明阳,江苏大学陈明阳,显示全部波导,放大,缩小,恢复上次窗口大小,
