1、江蘇大學陳明陽Optiwave 軟件及應用陳明陽2007.9江蘇大學陳明陽第一章 緒論1. 學習內容 基于光束傳播法，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。江蘇大學陳明陽光束傳播法(Beam Propagation Method，簡寫BPM) 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，其基本思想是在給定初始場的前提下，一步一步地計算出各個傳播截面上的場。 光束傳播法最早是由M.D.Feit等人于1978年研究光場及大氣激光束傳播時提出的。最早的BPM是

2、以快速傅里葉變換(Fast-Fourier Transform，稱FFT)為數學手段實現的，稱為FFT-BPM。 D.Yevick等人于1989年提出了一種新方法有限差分光束傳播法FD-BPM，用差分的方法將橫截面上的場離散化。 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。江蘇大學陳明陽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和技巧；江蘇大學陳明陽4 注意事項 入手簡單、精通較難 理論與實踐相結合 注重結果分析江蘇大學陳明陽5 RSOFT 軟件綜述 美國RSOFT設計集團公司是一家世界著

3、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。江蘇大學陳明陽7 Rsoft 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

4、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江蘇大學陳明陽BeamPROP是一個高度集成了是一個高度集成了計算機輔助設計計算機輔助設計和和模擬仿真模擬仿真的專業軟件，專用于設計集成光學波導元件和的專業軟件，專用于設計集成光學波導元件和光路。此軟件由美國光路。此軟件由美國RSOFT公司出品，公司出品，1994年年投入市場，被大學及產業公司的開發設計人員投入市場，被大學及產業公司的開發設計人員廣泛使用。廣泛使用。此軟件使用先進的有限差分光束傳播法此軟件使用先進的有限差分光束傳播法 (finite-diff

5、erence beam propagation method, FD-BPM)來模擬分析光學器件。用戶界面友好，分來模擬分析光學器件。用戶界面友好，分析和設計光學器件輕松方便。析和設計光學器件輕松方便。 江蘇大學陳明陽 其主程序為一套完善的用于設計光波導元其主程序為一套完善的用于設計光波導元件和光路件和光路CAD的設計系統，且可控制相關的設計系統，且可控制相關的模擬參數，如：數值參數、輸入場以及的模擬參數，如：數值參數、輸入場以及各種顯示、分析功能選項。各種顯示、分析功能選項。 另一程序為模擬程序，它可以在主程序內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，以圖形方式顯或獨立執

6、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示場的特性以及用戶感興趣的各種數值特性。性。 江蘇大學陳明陽一一. CAD系統的功能特點：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變量表的設置給設計帶來了很大的靈活性。性。 2 用戶可編程功能適應于快速的參數變化。用戶可編程功能適應于快速的參數變化。 3 2D結構包括：線性的、錐形的、曲線的、結構包括：線性的、錐形的、曲線的、Y形分支波導、透鏡和多邊形形分支波導、透鏡和多邊形 4 3D結構包括：光纖、通道結構包括：光纖、通道(矩形矩形)、擴散、擴散、脊型、多層波導、用戶自定義形式脊型、多層波導、用戶自定義形式 5

7、用戶可以自定義：波導兩端的位置、寬用戶可以自定義：波導兩端的位置、寬度、高度和沿傳播軸方向的折射率度、高度和沿傳播軸方向的折射率 江蘇大學陳明陽 6 每個部件都有它自己的屬性設置，通過點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）。值）、光學特性（折射率類型和數值）。這種基于目標（面向對象）的輸入模式非這種基于目標（面向對象）的輸入模式非常自然和靈活。常自然和靈活。 7 波導部件的每個參數（如：位置坐標、波導部件的每個參數（如

8、：位置坐標、寬度、折射率）能由算術表達式指定，包寬度、折射率）能由算術表達式指定，包括用戶自定義變量，或者是一個常數。括用戶自定義變量，或者是一個常數。 8 當制圖和設計完成時，波導光路輸出，當制圖和設計完成時，波導光路輸出，作為掩模的模版。作為掩模的模版。江蘇大學陳明陽二二. BeamPROP的特點：的特點： 1在全三維快速計算中使用的是在全三維快速計算中使用的是ADI（alternating direction implicit）算法。）算法。 2 采用透明的邊界條件。采用透明的邊界條件。 3 通過多級的通過多級的PADE技術進行寬角度傳播。技術進行寬角度傳播。 4 邊界配置進行動態選擇邊

9、界配置進行動態選擇 5 計算模式的傳播常數和場計算模式的傳播常數和場 6 自動的遠場計算自動的遠場計算 7 綜合計算因電極或熱效應產生的折射率擾動。綜合計算因電極或熱效應產生的折射率擾動。 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多種參數缺省值的智能選擇 11 用于優化設計的自動參數掃描用于優化設計的自動參數掃描 江蘇大學陳明陽(2) FullWAVE 是一個高度集成的應用于復雜的光電元件是一個高度集成的應用于復雜的光電元件模擬設計分析軟件。模擬設計分析軟件。 它使

10、用有限時域差分分析法（它使用有限時域差分分析法（finite-difference time-domain, FDTD）分析一）分析一般光束傳播法和其他軟件包所無法建模分般光束傳播法和其他軟件包所無法建模分析的光電元件，例如：光子帶隙、環狀共析的光電元件，例如：光子帶隙、環狀共振器等。振器等。 主控程序是主控程序是BeamPROP的完整的的完整的CAD 繪繪圖系統圖系統, 用來設計光波導元件和光路。用來設計光波導元件和光路。江蘇大學陳明陽功能及特點 1.可畫任意晶體結構設計的繪圖工具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任意的段定位使結構繪圖非常靈活 3.使用使用B

11、eamPROP的的CAD界面：特別為設計光界面：特別為設計光路設計的完整、用戶界面友好的路設計的完整、用戶界面友好的CAD系統系統 4.為靈活設計采取自然的、基于目標的輸入模式：為靈活設計采取自然的、基于目標的輸入模式：用戶可編程的快速參數變更用戶可編程的快速參數變更 5.二維波導結構二維波導結構: 直線型的、錐型的、曲線型的、直線型的、錐型的、曲線型的、Y型分枝的、透鏡、多邊形的型分枝的、透鏡、多邊形的 6.三維波導結構三維波導結構 : 光纖、通道、擴散形的、脊形光纖、通道、擴散形的、脊形的，多層波導和用戶自定義波導結構的，多層波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

12、度和沿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傳播軸方向的折射率 江蘇大學陳明陽 8.用戶自定義折射率特性，轉換為傳播軸方向的用戶自定義折射率特性，轉換為傳播軸方向的折射率折射率 9.為生成掩模的多層波導繪圖為生成掩模的多層波導繪圖 10.自動生成掩模文件，格式有：自動生成掩模文件，格式有：Auto CAD的的DXF格式、格式、GDS-的的CAD格式格式 11 基本的波導元件象直線的、錐形的、基本的波導元件象直線的、錐形的、Y形分岔形分岔的波導切片容易在工具欄中選擇，用鼠標即將其的波導切片容易在工具欄中選擇，用鼠標即將其填加到繪圖當中。填加到繪圖當中。 12 位置坐標也可直接

13、設定：設定絕對坐標值或位置坐標也可直接設定：設定絕對坐標值或通過設定與任何其他光波導器件的位移和角度。通過設定與任何其他光波導器件的位移和角度。 13 任何時候，一個或幾個組件可能被選擇、移任何時候，一個或幾個組件可能被選擇、移動、比例放大或縮小、刪除或重新插入。我們獨動、比例放大或縮小、刪除或重新插入。我們獨特的設計方法來自于一個非常靈活的系統，在這特的設計方法來自于一個非常靈活的系統，在這里任何合理的愿望都可以實現，如：后置、空間里任何合理的愿望都可以實現，如：后置、空間變化等。變化等。江蘇大學陳明陽 14 每個部件的屬性都可以通過點擊鼠標的每個部件的屬性都可以通過點擊鼠標的右鍵來獲得，參

14、數包括形狀信息如是錐形右鍵來獲得，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，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。每一個波計的輸入模式非常自然和靈活。每一個波導組成部分的參數（如：位置坐標、寬度、導組成部分的參數（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。義，甚至可以是一個常數。 15 當圖層布局和設計完成時波導回路能運當圖層布局和設計完成時波導回路能運行行AutoCAD 文件和文件和GDS-IICAD

15、文件格式文件格式輸出，以生成掩模模版。輸出，以生成掩模模版。 江蘇大學陳明陽時域有限差分法特點時域有限差分法特點 FullWAVE使用有限差分時域分析方法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）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；方程，具有二維和三維模擬算法； PML邊界條件邊界條件 采用采用PML邊界條件算法，提邊界條件算法，提高計算效率；高計算效率； 可以計算色散、非線性材料中的傳光可以計算色散、非線性材料中的傳光江蘇大學陳明陽 （3）BandSOLVE BandSOLVE是目前世界上唯一一套商用是目前世界上唯一一套商用的光子晶體能帶結構模擬

16、分析設計軟件。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可以對所有光子晶體部件的能帶結構進行自動的計算自動的計算,包括包括:二維或三維的光子晶體和二維或三維的光子晶體和波導，二維或三維的腔體結構問題以及光波導，二維或三維的腔體結構問題以及光子晶體光纖。子晶體光纖。 江蘇大學陳明陽功能特點 任意結構的能帶圖任意結構的能帶圖 平面的或三維的光子晶體組件的能隙設計平面的或三維的光子晶體組件的能隙設計及設計優化及設計優化 腔體結構腔體結構/ 缺陷結構缺陷結構 常規的和有缺陷的光子晶體光纖設計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模式場的計算與顯示 江蘇大學

17、陳明陽(4)DiffractMOD 是一個綜合型設計工具軟件。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、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。這一軟件嚴格建亞光波周期性結構及光子晶體。這一軟件嚴格建立在立在耦合波分析技術耦合波分析技術上；上； 任意柵格結構和單晶格折射率特征結構的任意柵格結構和單晶格折射率特征結構的3D和和2D的圖像都可以精確且清晰地顯示出來。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?？梢允褂猛?，它在金

18、屬系統也可以得到應用。江蘇大學陳明陽應用 1. 彌散光學元件彌散光學元件 2. 表面光刻和大折射率光柵表面光刻和大折射率光柵 3. 波長濾波器波長濾波器 4. 納米平面印刷納米平面印刷 5. 偏振敏感儀器偏振敏感儀器 6. 人造絕緣鍍膜人造絕緣鍍膜 7. 光致電壓系統光致電壓系統 8. 三維顯示三維顯示 9. 激光空間通信激光空間通信 10. 光數據存儲光數據存儲 11. 光譜學光譜學 江蘇大學陳明陽 12. 微透陣列微透陣列 13. 光束分裂，整合，修整光束分裂，整合，修整 江蘇大學陳明陽(5)GratingMOD 是一種分析和綜合處理在光纖和集成光波是一種分析和綜合處理在光纖和集成光波導線

19、路中復雜的光柵特性的設計工具。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快速算法能處理任意光柵的二維或三維光波導特性，波導特性， 這使得這使得GratingMOD成為成為Rsoft公司軟件庫的一個有效的補充。公司軟件庫的一個有效的補充。 江蘇大學陳明陽分析對象分析對象 色散補償色散補償 復用復用/解復用解復用 上傳上傳/下載濾波器下載濾波器 光放大器中的增益平坦濾波器光放大器中的增益平坦濾波器 波長轉換器波長轉換器 錐形波導光柵錐形波導光柵 光柵助耦合器光柵助耦合器 多段光柵回路多段光柵回路 帶相位偏移的光柵帶相位偏移的光柵 表面凹凸與大折射率光柵表面凹凸與大折射

20、率光柵 江蘇大學陳明陽(6) LaserMOD 是用于仿真半導體激光器性能的模擬分析是用于仿真半導體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軟件。此軟件以伊利諾斯大學所開發的著名的名的Minilas-II 算法為基礎。算法為基礎。 LaserMOD通過通過CAD制圖和使用量化器件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，光學特性與載流子傳輸，光學特性與載流子-光子之間的交互光子之間的交互作用。作用。江蘇大學陳明陽 模式求解江蘇大學陳明陽江蘇大學陳明陽2模場分布 基模LP01江蘇大學陳明陽江蘇大學陳明陽 二階模LP11江蘇大學

21、陳明陽江蘇大學陳明陽 LP02江蘇大學陳明陽江蘇大學陳明陽 LP21江蘇大學陳明陽江蘇大學陳明陽 波導耦合江蘇大學陳明陽江蘇大學陳明陽江蘇大學陳明陽 場分布變化過程江蘇大學陳明陽 光開關江蘇大學陳明陽江蘇大學陳明陽開通江蘇大學陳明陽關斷江蘇大學陳明陽江蘇大學陳明陽江蘇大學陳明陽江蘇大學陳明陽第二章 常用CAD操作一. 軟件使用示例1. 分支波導模擬江蘇大學陳明陽(1)創建新光路江蘇大學陳明陽江蘇大學陳明陽江蘇大學陳明陽江蘇大學陳明陽江蘇大學陳明陽江蘇大學陳明陽(2)繪制波導江蘇大學陳明陽 波導的繪制基本操作方法: 左鍵點擊起點,松開后拖動鼠標,點擊終點 左鍵點擊起點, 拖動鼠標,點擊終點江蘇大

22、學陳明陽(3)創建新變量江蘇大學陳明陽(4)設置波導參數江蘇大學陳明陽江蘇大學陳明陽江蘇大學陳明陽江蘇大學陳明陽江蘇大學陳明陽江蘇大學陳明陽(5)計算折射率分布江蘇大學陳明陽江蘇大學陳明陽(6)運行模擬程序江蘇大學陳明陽江蘇大學陳明陽江蘇大學陳明陽(7)觀察計算結果江蘇大學陳明陽江蘇大學陳明陽二. 菜單介紹江蘇大學陳明陽江蘇大學陳明陽江蘇大學陳明陽江蘇大學陳明陽江蘇大學陳明陽江蘇大學陳明陽江蘇大學陳明陽江蘇大學陳明陽江蘇大學陳明陽江蘇大學陳明陽江蘇大學陳明陽江蘇大學陳明陽江蘇大學陳明陽三 工具欄江蘇大學陳明陽新建打開保存江蘇大學陳明陽撤消上次做的修改,只能撤消一次修改復制(拷貝+粘貼)江蘇大學

23、陳明陽水平方向翻轉垂直方向翻轉旋轉江蘇大學陳明陽例: 繪制如圖所示的對稱波導江蘇大學陳明陽繪制弧形波導江蘇大學陳明陽選中并復制波導江蘇大學陳明陽移動波導江蘇大學陳明陽水平翻轉波導江蘇大學陳明陽移動波導江蘇大學陳明陽刷新光路圖打開圖形文件打開數據瀏覽器打開CAD幫助打開模擬引擎幫助江蘇大學陳明陽江蘇大學陳明陽選擇模式放大模式直波導模式弧形波導模式分支波導模式S彎曲弧形波導模式模擬區模式示例江蘇大學陳明陽 只能在繪制波導時起作用偏移量參考角度參考波導Z軸江蘇大學陳明陽江蘇大學陳明陽全局設置(打開初始對話框)變量表多層波導編輯框監視路徑設置監視器設置初始場設置江蘇大學陳明陽運行程序計算波導折射率參數

24、掃描模式求解江蘇大學陳明陽四 變量表主要功能: 1.改變內建變量的值 2.創建新變量江蘇大學陳明陽江蘇大學陳明陽常用內建變量alpha: 波導折射率虛部background_index: 背景折射率delta:缺省波導折射率差free_space_wavelength:自由空間光波長height:波導高度缺省值width:波導寬度缺省值k0=(2*pi)/free_space_wavelength江蘇大學陳明陽變量名變量值當前值江蘇大學陳明陽接受修改/創建的變量放棄修改/創建的變量新建變量刪除變量江蘇大學陳明陽1.修改變量過程(1)選中需要修改的變量江蘇大學陳明陽修改表達式的值江蘇大學陳明陽江

25、蘇大學陳明陽創建新變量(1)點擊New Symbol按鈕江蘇大學陳明陽(2)輸入變量名及其表達式江蘇大學陳明陽(3)點擊Accept Symbol江蘇大學陳明陽說明1.不能刪除內建變量;2.創建變量必須先點New Symbol按鈕;3.變量值可以為包含已定義變量的表達式以及常用函數;3.必須點OK,修改/創建才生效.江蘇大學陳明陽江蘇大學陳明陽應用舉例width=4江蘇大學陳明陽width=8江蘇大學陳明陽第三章 基本操作1. 波導結構及參數設置 頂點設置 波導類型設置 錐形區設置2. 初始對話框設置3.運行程序江蘇大學陳明陽波導維度舉例江蘇大學陳明陽江蘇大學陳明陽橫截面折射率分布二維波導江蘇

26、大學陳明陽橫截面折射率分布三維波導江蘇大學陳明陽江蘇大學陳明陽圓波導江蘇大學陳明陽通道波導（矩形波導）江蘇大學陳明陽首先將波導參數簡化 由兩部分組成: 1.波導兩端的幾何結構 波導寬度(width)、高度(height)和波導兩端中心的位置 2.波導兩端的中心位置的折射率 江蘇大學陳明陽江蘇大學陳明陽江蘇大學陳明陽用折射率差表示波導折射率n0為背景折射率，n為波導折射率與背景折射率之差0( , )( , )bn x ynnf x y江蘇大學陳明陽二維波導參數設置(x1,z1)(x0,z0)江蘇大學陳明陽 三維波導參數設置特點： 通過波導兩端面的折射率分布及位置參數來確定整個三維波導的參數 更進

27、一步地，通過設置波導兩端面中心處的參數（x,y,z坐標、與背景材料折射率差）及波導的兩端的寬度和高度來確實整個波導的參數 x,z坐標可在繪制波導時確定,y坐標須通過設置波導屬性獲得江蘇大學陳明陽 橫截面的折射率分布稱為profile 波導縱向的折射率分布稱為taper江蘇大學陳明陽圓波導江蘇大學陳明陽通道波導(矩形波導)江蘇大學陳明陽擴散波導江蘇大學陳明陽江蘇大學陳明陽脊形波導江蘇大學陳明陽多層波導江蘇大學陳明陽 波導參數對話框設置江蘇大學陳明陽江蘇大學陳明陽公共信息(Common Information)江蘇大學陳明陽頂點信息(Vertex Information)起點(Start Vert

28、ex)江蘇大學陳明陽 終點(Ending Vertex)江蘇大學陳明陽 其它信息江蘇大學陳明陽頂點設置波導折射率差波導折射率虛部波導寬度波導高度江蘇大學陳明陽4imagn折射率虛部定義:表示能量衰減形式為:ze江蘇大學陳明陽頂點信息y值x值x值參考類型江蘇大學陳明陽江蘇大學陳明陽參考類型參數值頂點的絕對坐標=參數值+參考點的坐標值參考波導的序號參考頂點序號0表示起點1表示終點江蘇大學陳明陽 偏移量參考(相對值)參考點可以為波導的另一端點也可以為另一波導的某一端點江蘇大學陳明陽例1江蘇大學陳明陽江蘇大學陳明陽江蘇大學陳明陽江蘇大學陳明陽江蘇大學陳明陽偏移參考優點:1.設置波導長度2.可以方便地調整由多個部件組成的波導的尺寸3.調整波導長度而不影響波導的角度江蘇大學陳明陽 波導的粘連 當繪制的波導2的某一端點a與已繪制的一波導1的某一端點b距離很近時,兩波導端點會自動連接起來 即波導2的端點坐標a將以b點為參考。 實例演示江蘇大學陳明陽波導類型設置 二維