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1、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 PropagationMethod，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 Transf
2、orm，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。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
3、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
4、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
5、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。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。32D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43D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。
6、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（alternatingdirection 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) Fu
7、llWAVE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:
8、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-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
9、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
10、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）BandSOLVEBandSOLVE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
11、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. 光束分裂，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
12、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 LP2模场分布基模01二阶模LP11LP02
