Optiwave 软件及应用
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。
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19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。
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；
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
5 RSOFT 软件综述
• 美国RSOFT设计集团公司是一家世界著名的光通 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。
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
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。
• 其主程序为一套完善的用于设计光波导元 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。
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
• 6 每个部件都有它自己的属性设置，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。
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
(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。
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
• 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，格式有：Auto CAD的 DXF格式、GDS-Ⅱ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。
• 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。
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
（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。 • 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。
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
(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 可以使用外，它在金属系统也可以得到应用。
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
• 12. 微透阵列
• 13.
光束，整合，修整
(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。
分析对象
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
• • • • • • • • • •
(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。
• 模式求解
2模场分布
LP01• 基模
• 二阶模LP11
•
LP 02
• LP21
• 波导耦合
• 场分布变化过程
• 光开关
开通
关断
第二章 常用CAD操作
一. 软件使用示例 1. 分支波导模拟
(1)创建新光路
(2)绘制波导
• 波导的绘制
基本操作方法:
• 左键点击起点,松开后拖动鼠标,点击终点 • 左键点击起点, 拖动鼠标,点击终点
(3)创建新变量
(4)设置波导参数
(5)计算折射率分布
(6)运行模拟程序
(7)观察计算结果
二. 菜单介绍
三 工具栏
新建
打开
保存
撤消上次做的修改, 只能撤消一次修改
复制(拷贝+粘贴)
水平方向翻转 垂直方向翻转
旋转
例:
• 绘制如图所示的对称波导
绘制弧形波导
选中并复制波导
移动波导
水平翻转波导
移动波导
打开CAD帮助
刷新光路图
打开模拟引擎帮 助
打开数据浏览器
打开图形文件
示例 选择模式 放大模式 分支波导模式 直波导模式
S弯曲弧形波导模式 弧形波导模式模拟区模式
角度参考
偏移量参考 波导Z轴
• 只能在绘制波导时起作用
全局设置(打开初始对话框)
变量表 初始场设置 多层波导编辑框
监视路径设置
监视器设置
运行程序
计算波导折射率
模式求解 参数扫描
四 变量表
主要功能:
• 1.改变内建变量的值
• 2.创建新变量
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)/free_space_wave length
变量名
变量值
当前值
接受修改/创建的变量
放弃修改/创建的变量
删除变量 新建
1.修改变量过程
(1)选中需要修改的变量
修改表达式的值
创建新变量
(1)点击New Symbol按钮
(2)输入变量名及其表达式
(3)点击Accept Symbol
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.
应用举例
width=4
width=8
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
波导维度举例
横截面折射率分布
二维波导
三维波导
横截面折射率分布
圆波导
通道波导（矩形波导）
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率
height1
width1 (x1,y1,z1) n1
(x0,y0,z0) n0 width0
height0
用折射率差表示波导折射率
nb (x, y) n0 nf (x, y)
n0为背景折射率，Δn为波导折射率与背景折射率 之差
二维波导参数设置
(x0,z0)
(x1,z1)
• 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
• 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
圆波导
通道波导(矩形波导)
扩散波导
脊形波导
多层波导
• 波导参数对话框设置
公共信息(Common Information)
顶点信息
(Vertex Informati on)
起点
江 苏大学陈明阳
(Start Vertex)
• 终点
(Ending Vertex)
• 其它信息
顶点设置
波导折射率差 波导宽度
波导折射率虚部 波导高度
折射率虚部定义:
n
imag
4
表示能量衰减形式为:
z
e
顶点信息 y值 x值 x值 参考类型
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
• 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
例1
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
• 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。 实例演示
波导类型设置
• 二维波导
三维波导
• 光纤
横截面折射率分布
横截面折射率分布
横截面折射率分布
• 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
公共信息(Common Information) • Taper(渐变区)设置
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)
可选择类型
线性(linear)
平方型(Quadratic)
指数型(Exponential)
弧形(Arc )
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
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)
线性(linear) 缺省设置
平方型(Quadratic)
指数型(Exponential)
宽度渐变(Width Taper)
• 设置波导区的宽度与z的变化关系,w=f(z)
• Y方向渐变
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
波导维度 圆对称波导计算
模拟工具
自由空间光波长波导与背景折射率差
free_space_wavelength delta背景折射率 background_index
波导宽度 width 波导高度 height
波导类型及 特殊参数设置
纸张大小，以微米为单位
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
显示全部波导放大
缩小 恢复上次窗口大
