Rsoft软件(BPM,光束传播法模拟)中文课件(5.6光纤模式转换器)江苏大学陈明阳教授编写 2018最新版
Rsoft软件简介和使用教程
RSOFT使用教程目录Rsoft简介2Chapter 7 Tutorials 第七章教程4Tutorial 1: Ring Resonator 教程1：环形共振器4Device Layout: 器件结构：4Defining Variables 定义变量4Drawing the Structure 画器件结构图5Checking the Index Profile 核对折射率分布5Adding Time Monitors 添加时间监视〔探测〕器5Simulation: Pulsed Excitation 模拟：脉冲激发6Launch Field 激发场6Wavelength/Frequency Spectrum 波长/频率光谱6Increasing the Resolution of the FFT 提高FFT的分辨率6 Simulation: CW Excitation 模拟：连续激发7Tutorial 2: PBG Crystal: Square Lattice 教程 2：PBG 晶体：四方晶格7 Lattice layout 晶格布局7Base Lattice Generation 基准晶格的创建7Lattice Customization 定制晶格8Checking the Index Profile 核对折射率分布8Inserting Time Monitors 插入时间监视器8Launch Set Up 激发场设置8Simulation 模拟8Data Analysis 数据分析9Switching Polarization 改变偏振为TM模9Periodic Boundary Condition Set Up9Tutorial 3: PBG Crystal: Tee Structure 教程 3：PBG晶体： T型结构9Tutorial 4: PBG Crystal: Defect Mode教程四：PBG 晶体：缺陷模型9Rsoft简介包括BeamPROP、FullWAVE、BandSOLVE、GratingMOD、DiffractMOD、FemSIM,以与MOST软件.以下是Rsoft各个模块的介绍：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.此软件使用先进的有限差分光束传播法<finite-differencebeampropagationmethod>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 设计系统,且可控制相关的模拟参数,如：数值参数、输入场以与各种显示、分析功能选项.另一功能为模拟程序,它可以在主程序内或独立执行模拟分析工作,以图形方式显示域的特性以与用户感兴趣的各种数值特性.FullWAVE：是一高度整合之复杂光子组件仿真设计分析软件,它使用－有限差分时域之模拟分析方法,藉以分析一般光束传播法所无法建立模型分析的光子组件,例如光晶体与环状共振器等.因此,RSoft公司所开发的BeamPROP与FullWAVE 软体,两者实际上是具有互补之作用.其主控程序为BeamPROP之CADLayout系统,用来设计光波导组件与光路,亦即BeamPROP与FullWAVE共享同一个CADLayout程序.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.集成了CAD和仿真功能,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片和波导,二维或三维的腔体结构问题以与光子晶体光纤.GratingMOD：用以设计并分析在光纤/波导光栅元件之应用软件.体.其对于发展WDM与DWDM特别有助益.它适合用来分析已知光栅结构<Design>,亦可藉由量测或已它适合用来分析已知光栅结构<Design>,亦可藉由量测或已知频谱－决定该光栅之特性<Synthesis>.知频谱－决定该光栅之特性<Synthesis>.GratingMOD可以设计分析任何波导横向结构<TransverseGratingMOD可以设计分析任何波导横向结构<TransverseProfile>,因为它使用BeamPROP的CAD绘图界面设计光栅结构,并采用正交藕合模态理论<OrthogonalProfile>,因为它使用BeamPROP的CAD绘图界面设计光栅结构,并采用正交藕合模<OrthogonalCoupled-ModeTheory>与转移矩阵法<TransferMatrixMethod>有效地分析光栅特性.Coupled-ModeTheory>与转移矩阵法<TransferMatrixMethod>有效地分析光栅特性.GratingMODGratingMOD可定义周期性纵向微扰<PeriodicLongitudinalPerturbation>以产生纵向光栅结构.可定义周期性纵向微扰<PeriodicLongitudinalPerturbation>以产生纵向光栅结构.其使得GratingMOD其使得GratingMOD适用於2D/3D的模拟,且运算速度较Bi-DirectionalBPM更快速.适用于2D/3D的模拟,且运算速度较Bi-DirectionalBPM更快速.DiffractMOD：适用于绕射光学结构-例如:绕射光学元件、次波长周期性结构、光子能隙晶体的模拟设计软体.元件、亚波长周期性结构、光子能隙晶体的模拟设计软体.DiffractMOD运用包含快速傅立叶分解<fastFourierfactorization>与泛用传输线公式<generalizedtransmissionlineformulation>-的严格藕合波分析<RigorousCoupledWaveAnalysis-RCWA>技波分析<Rigorous洲CoupledWaveAnalysis-RCWA>技巧.它可以精确有效地模拟-具有任意网格结构它可以精确有效地模拟-具有任意网格结构与基本单元折射率剖面的2D/3D结构,并能分析介电<dielectric>、色散<dispersive>与耗损<lossy>等与基本单元折射率剖面的2D/3D结构,并能分析介电<dielectric>、色散<dispersive>与耗损<lossy>等材料结构.材料结构.再者,使用者可弹性控制入射方向<incidentdirection>与照度极化<polarizationof再者,使用者可弹性控制入射方向<incidentdirection>与照度极化<polarizationofillumination>以完成模拟.illumination>以完成模拟.DiffractMOD与其他RSoft所开发-BeamPROP、FullWAVE、BandSOLVE、GratingMOD等元件模拟软体共用CAD布局界面.软体共用CAD布局界面.此CAD界面提供任意轮廓的精确定义与全参数化的设计模型环境.DiffractMOD中的绕射结构布局,可直接选用FullWAVE<FDTD>进行时域响应<time-domainresponse>模拟,或选用BandSOLVE<PWE>进行能带结构分析<bandstructureanalysis>.FemSIM：运用有限元素法<FEM-FiniteElementMethod>的泛用光子元件解模器<modesolver>,透过非均匀网格<non-uniformmesh>可用来计算任意元件中的任何横切<transverse>与腔体<cavity>模态纪录.应用：可分析任何形状的元件-包含弯曲与罕见的形状.高度混合型元件-具高折射率对比<highindexcontrast>与smallfeaturesizes的元件结构.耗损结构<Lossystructures>.硅晶元件<例如:绝缘层上硅晶-SOIs-SilicononInsulator>.极化旋转器<Polarizationrotators>.空心或实心光晶光纤<Airorsolidcorephotonicfibers>.雷射与光能隙晶体之缺陷与腔体<LaserandPBGdefectcavities>.MOST：用以优化设计分析光电元件之软体模组.以优化设计分析光电元件之软体模组.初阶的光子模型建立基本上牵涉到模拟,借以探究问题的相关物理特性;对於元件制造的设计周期而言,了解系统完整的参数空间便显得不可或缺.性;对于元件制造的设计周期而言,了解系统完整的参数空间便显得不可或缺.这可能牵涉到对合适范围参数空间的系统搜寻与多重维度的自动优化.空间的系统搜寻与多重维度的自动优化.做为RSoft光子元件模拟软体的自动优化模组,MOST可简化参数扫描与优化的定义、计算与分析.扫描与优化的定义、计算与分析.Chapter 7 Tutorials 第七章教程所有的教程都在Rsoft安装目录<EXAMPLES\FULLWAVE\TUTORIA>下可以找到原型实例.Tutorial 1: Ring Resonator 教程1：环形共振器本部分讨论环形共振器的创建与分析.环形共振器是一种应用广泛的高Q值波长滤波器.首先介绍器件的布局与设置,然后讨论脉冲分析〔a pulse analysis〕.脉冲计算〔pulsed calculation〕可以产生一个光谱响应,让分析器件的光谱特性,从而可以回避在连续模式下〔CW〕对整个波长的参数扫描,节省分析时间,提高分析效率.最后,我们对器件的某一共振波长进行连续模拟〔CW simulation〕.Device Layout: 器件结构：我们接下来要模拟的环形共振器为宽为 0.2 µm 、折射率为3的波导,其共振波长约为 2 µm.步骤：1、打开RSoft CAD-Layout：2、点击创建新结构按钮〔New Circuit icon〕3、设置如下参数〔见下图〕：Free Space Wavelength： 2； Waveguide Width ：0.2；Background Index：1；Index Difference ： 2Defining Variables 定义变量单击Edit Symbols 按钮Gap = 0.2 L = 0.5R = 1.7R1 = R-width/2 R2 = R+width/2.Drawing the Structure 画器件结构图我们将作圆形的波导〔环〕：首先画个圆盘,然后在其中间挖个洞.步骤：1、从菜单中选择Options/Insert/Lens：2、设置Waveguide Width： 2*R2,Front Radius ： R2 , Back Radius：–R2；3、中心挖洞：Select Mode icon,左击画好的圆盘〔Lens #1〕,左击 Duplicate Selection按钮,右击圆盘〔Lens #2〕. 设置Waveguide Width：2*R1, Front Radius：R1, BackRadius：–R1 andthe Index Difference： 0；点击对话框中的More按钮,设置Display Color：Yellow, Priority Level：1, Background Index：background_index+delta.4、接下来部分做一个bus waveguides：点击Segment Mode按钮,在右边画个段状波导,参数设置如图所示：5、复制一个条形波导,参数设置如下图所示：Checking the Index Profile 核对折射率分布为了查看器件各部分折射率分布,点击 Display IndexProfile 按钮,选择显示模式 Display Mode 为ContourMap<XZ>,设置参数如图所示：点击Ok按钮后,出现下图描述的折射率分布情况〔第二个圆盘优先级别更高〕：Adding Time Monitors 添加时间监视〔探测〕器接下来将在器件中插入时间监视器,为后面分析做准备. 我们将用两个监视器来测量场透射和衰减〔transmitted and dropped〕情况.步骤：1、选择菜单Options/Insert/Time Monitor：2、选择监视器,复制一个,设置参数如下图所示：3、最后器件的结构如图所示：这部分讨论环形共振器的模拟和分析.我们将首先计算该共振器的一个波长/频率光谱,然后模拟器件工作在共振波长下场的分布情况.Launch Field 激发场设置激发场的空间特征和时间特征.点击Edit Pathways 按钮,点 New Pathway按钮,左击左边条状波导,它的颜色变成亮的绿色,点击OK.此时,我们已经建立一个Pathway #1,单击Edit Launch Field按钮,注意设置Launch Pathway 序号为1. Launch Type 为 Slab Mode ,点击OK,返回CAD 窗口.Wavelength/Frequency Spectrum 波长/频率光谱点击 Perform Simulation按钮,设置模拟参数. 时间步长Time Step设置足够小以满足柯朗稳定性条件〔Courant stability condition〕, 在空间网格尺寸〔 Grid Size 〕为 0.02 µm ,我们可以设置时间步长为0.0135.接下来,点击Output… 按钮,在FDTD Output Options 窗口设置输出选项,确认me Monitor和Wavelength Monitor,和Frequency Monitor设为Yes,然后点击OK按钮关闭窗口.接下按Display… 按钮,设置 Outline Color 为黑色Black.按下OK 后,最后开始模拟.模拟结束后,结果如下图所示,其中下方曲线图为来自time monitors的结果.Increasing the Resolution of the FFT 提高FFT的分辨率要分析波长光谱,可以View Graphs 按钮,选择ring_pulse.pwm文件,显示如下图, 谱线态粗糙了,可以通过设置更大的stop time值来提高谱线光滑度.下图为Stop Time设为 2^15*fdtd_time_step时的结果.通过脉冲激发模拟,我们可作出环形共振器的波长光谱.在连续激发下,我们将分析共振器在波长为1.977 µm的情形.D点击Edit Global Settings按钮,设置Free Space Wavelength： 1.977.点击Perform Simulation 按钮,将激发模式 Excitation 设为 CW,同时将Stop Time 设为2^14*fdtd_time_step,输入一个新的输出文件前缀Output File Prefix,如 ring_cw.模拟结构如下图所示.上图连续激发CW 模拟结果与脉冲激发所预言相一致.我们看出在波导中电场能量逐渐增强,最后电磁场几乎全部传输到输出波导.因此,通过利用脉冲激发和连续激发两种类型的模拟计算,我们容易能获得器件的光谱响应与其工作在共振波长的电场场传播情形.Tutorial 2: PBG Crystal: Square Lattice教程 2：PBG 晶体：四方晶格〔PBG: photonic-bandgap 光子带隙〕这个教程主要介绍光子晶体晶格〔四方晶格为例〕作图,然后利用FDTD方法分析这些晶格的光学性质. 我们将计算此光子晶体的光谱响应,从而揭示存在光子带隙.分析过程采用时间响应谱的傅立叶变换来获得系统的频率响特性.整个模拟过程将进行两次计算,分别对应于两种边界条件：完美匹配层边界条件PML；周期性边界条件.Lattice layout 晶格布局建立晶格的方法有多种,接下来我们采用Array Layout XZ utility工具来创建所需的四方晶格.Base Lattice Generation 基准晶格的创建菜单Utility/Array Layout XZLattice Customization 定制晶格点击Edit Global Settings 按钮,设置背景折射率Background Index为 1,折射率差Index Difference为2.4〔GaAs〕 ,偏振Polarization为TE,自由空间波长 Free Space Wavelength 为Period/0.45.按OK关闭窗口.〔设置变量Period= 0.6 µm,Radius=0.18〕Checking the Index Profile 核对折射率分布点击Display Index Profile 按钮,设置Display Mode 为 ContourMap <XZ>, Compute Step in X and Z 为 0.02, Slice Step in both X and Z 为Compute Step.点击OK后,结果见下图.Inserting Time Monitors 插入时间监视器菜单Options/Insert/Time Monitors…,设置time Monitor Type为 Default Field ,Time Average为 No,Frequency Analysis为FFT.Launch Set Up 激发场设置点击Edit Launch Field 按钮,设置Launch Type 为Gaussian, Launch Width 为0.2*PeriodX,Launch Position X为0.34*PeriodX.Simulation 模拟点击Perform Simulation 按钮,如下表与图所示设置参数.Grid Size in X 0.02Grid Size in Z 0.02Time Step 0.01Stop Time 2^16*fdtd_time_step Update Time 100*fdtd_time_step Excitation PulsedPulse Time lambda/2Source Offset 0.234*PeriodZData Analysis 数据分析当模拟计算结束后,点击WinPLOT按钮〔或从开始菜单打开WinPLOT程序〕,打开文件square_pbg_te.pfm具体设置过程略〔见FullWAVE教程P98〕,结果如下图.其中光子带隙PBG已经标出.PBGSwitching Polarization 改变偏振为TM模点击Edit Global Settings 按钮,设置Polarization 为 TM.点击Perform Simulaition 按钮,设置Output File Prefix 为 square_pbg_tm.结果如图所示.Periodic Boundary Condition Set UpTutorial 3: PBG Crystal: Tee Structure教程 3：PBG晶体：T型结构Tutorial 4: PBG Crystal: Defect Mode教程四：PBG 晶体：缺陷模型。
Rsoft软件简介和使用教程
RSOFT使用教程目录Rsoft简介 (3)Chapter 7 Tutorials 第七章教程 (5)Tutorial 1: Ring Resonator 教程1:环形共振器 (5)Device Layout：器件结构: (5)Defining Variables 定义变量 (6)Drawing the Structure 画器件结构图 (6)Checking the Index Profile 核对折射率分布 (9)Adding Time Monitors 添加时间监视（探测)器 (10)Simulation： Pulsed Excitation 模拟：脉冲激发 (12)Launch Field 激发场 (12)Wavelength/Frequency Spectrum 波长/频率光谱 (12)Increasing the Resolution of the FFT 提高FFT的分辨率 (14)Simulation： CW Excitation 模拟：连续激发 (16)Tutorial 2： PBG Crystal: Square Lattice 教程 2：PBG 晶体：四方晶格 (17)Lattice layout 晶格布局 (17)Base Lattice Generation 基准晶格的创建 (17)Lattice Customization 定制晶格 (18)Checking the Index Profile 核对折射率分布 (18)Inserting Time Monitors 插入时间监视器 (19)Launch Set Up 激发场设置 (20)Simulation 模拟 (21)Data Analysis 数据分析 (22)Switching Polarization 改变偏振为TM模 (23)Periodic Boundary Condition Set Up (24)Tutorial 3: PBG Crystal： Tee Structure 教程 3：PBG晶体： T型结构 (24)Tutorial 4: PBG Crystal： Defect Mode 教程四：PBG 晶体：缺陷模型 (24)Rsoft简介包括BeamPROP、FullWAVE、BandSOLVE、GratingMOD、DiffractMOD、FemSIM，以及MOST软件。
Rsoft软件简介和使用教程讲解
RSOFT使用教程目录Rsoft简介 (3)Chapter 7 Tutorials 第七章教程 (5)Tutorial 1: Ring Resonator 教程1：环形共振器 (5)Device Layout: 器件结构： (5)Defining Variables 定义变量 (6)Drawing the Structure 画器件结构图 (6)Checking the Index Profile 核对折射率分布 (9)Adding Time Monitors 添加时间监视（探测）器 (10)Simulation: Pulsed Excitation 模拟：脉冲激发 (12)Launch Field 激发场 (12)Wavelength/Frequency Spectrum 波长/频率光谱 (12)Increasing the Resolution of the FFT 提高FFT的分辨率 (14)Simulation: CW Excitation 模拟：连续激发 (16)Tutorial 2: PBG Crystal: Square Lattice 教程 2：PBG 晶体：四方晶格 (17)Lattice layout 晶格布局 (17)Base Lattice Generation 基准晶格的创建 (17)Lattice Customization 定制晶格 (18)Checking the Index Profile 核对折射率分布 (18)Inserting Time Monitors 插入时间监视器 (19)Launch Set Up 激发场设置 (20)Simulation 模拟 (21)Data Analysis 数据分析 (22)Switching Polarization 改变偏振为TM模 (23)Periodic Boundary Condition Set Up (24)Tutorial 3: PBG Crystal: Tee Structure 教程 3：PBG晶体： T型结构 (24)Tutorial 4: PBG Crystal: Defect Mode 教程四：PBG 晶体：缺陷模型 (24)Rsoft简介包括BeamPROP、FullWAVE、BandSOLVE、GratingMOD、DiffractMOD、FemSIM, 以及MOST软件。
RSoft 介绍
RSoft CADRSoft CAD 为美国RSoft Design Group, Inc. 所开发，RSoft CAD 是RSoft 被动组件仿真软件BeamPROP、FullWAVE、BandSOLVE、GratingMOD、DiffractMOD、FemSIM 与ModePROP 的核心程序，它可让用户设计绘制波导组件、光路与其它光子组件，并定义被动组件的材料特性(material properties) 与结构几何(structural geometry)。
软件优势极具弹性的设计环境，可虚拟产生任何结构几何。
RSoft 被动组件仿真软件的必备设计环境。
提供RSoft 被动组件仿真软件单一的设计平台，不必针对不同算法转换结构几何。
方便操作的接口，可良好地控制绘制与仿真组件。
对象导向设计布图功能可让用户设计绘制光子组件与光路- 它可透过鼠标轻易地由工具列选取: 直、渐变(tapered)、弧形(curved)、透镜(lenses) 与多边形(polygons) 等组件。
除了标准对象外，RSoft CAD 更允许用户输入数学式或数据文件来自订组件结构几何。
组件位置可直接指定或透过偏移(offsets) 功能来定义与其它组件的相对位置。
可随时选取、移动、缩放、删除或重新插入一或多个组件。
此一独特的设计功能提供用户极大的系统设计弹性。
点选鼠标右键即可设定每个独立组件的相关特性，例如，结构几何参数、材料折射率分布的类型与数值等光学特性。
再者，每个组件的相关参数(例如: 位置、坐标、宽度与折射率) 皆可透过包含用户自定变量的数学式来定义; 而不只是单纯的常数。
用户可透过公式轻易地修改定义组件的角度，或只针对整体光路修改单一变量; 而不必个别调整结构的各个部份。
软件功能可检视X、Y、Z 轴向结构图之3D 编辑选项。
可同时显示X、Y、Z 不同轴向组合与可旋转之3D 立体结构图。
对象导向设计环境。
可绘制复杂组件结构之阶层式布局功能。
Rsoft软件说明介绍和使用
目录Rsoft 简介 (3)Chapter 7 Tutorials 第七章教程 (5)Tutorial 1: Ring Resonator 教程1: 环形共振器 (5)Device Layout:器件结构： (5)Defining Variables 定义变量 (6)Drawing the Structure 画器件结构图 (6)Checking the Index Profile 核对折射率分布 (9)Adding Time Monitors 添加时间监视（探测）器 (10)Simulation: Pulsed Excitation 模拟：脉冲激发 (12)Launch Field 激发场 (12)Wavelength/Frequency Spectrum 波长/频率光谱 (12)Increasing the Resolution of the FFT 提高FFT 的分辨率 (14)Simulation: CW Excitation 模拟：连续激发 (16)Tutorial 2: PBG Crystal: Square Lattice 教程2：PBG 晶体：四方晶格 (17)Lattice layout 晶格布局 (17)Base Lattice Generation 基准晶格的创建 (17)Lattice Customization 定制晶格 (18)Checking the Index Profile 核对折射率分布 (18)Inserting Time Monitors 插入时间监视器 (19)Launch Set Up 激发场设置 (20)Simulati on 模拟 (21)Data Analysis 数据分析 (22)Switching Polarization 改变偏振为TM 模 (23)Periodic Boundary Condition Set Up (24)Tutorial 3: PBG Crystal: Tee Structure 教程3: PBG 晶体：T 型结构 (24)Tutorial 4: PBG Crystal: Defect Mode 教程四：PBG 晶体：缺陷模型 (24)Rsoft简介包括BeamPROP、FullWAVE、BandSOLVE、GratingMOD、DiffractMOD、FemSIM,以及MOST软件。
Rsoft软件说明介绍和使用
目录Rsoft 简介 (3)Chapter 7 Tutorials 第七章教程 (5)Tutorial 1: Ring Resonator 教程1: 环形共振器 (5)Device Layout:器件结构： (5)Defining Variables 定义变量 (6)Drawing the Structure 画器件结构图 (6)Checking the Index Profile 核对折射率分布 (9)Adding Time Monitors 添加时间监视（探测）器 (10)Simulation: Pulsed Excitation 模拟：脉冲激发 (12)Launch Field 激发场 (12)Wavelength/Frequency Spectrum 波长/频率光谱 (12)Increasing the Resolution of the FFT 提高FFT 的分辨率 (14)Simulation: CW Excitation 模拟：连续激发 (16)Tutorial 2: PBG Crystal: Square Lattice 教程2：PBG 晶体：四方晶格 (17)Lattice layout 晶格布局 (17)Base Lattice Generation 基准晶格的创建 (17)Lattice Customization 定制晶格 (18)Checking the Index Profile 核对折射率分布 (18)Inserting Time Monitors 插入时间监视器 (19)Launch Set Up 激发场设置 (20)Simulati on 模拟 (21)Data Analysis 数据分析 (22)Switching Polarization 改变偏振为TM 模 (23)Periodic Boundary Condition Set Up (24)Tutorial 3: PBG Crystal: Tee Structure 教程3: PBG 晶体：T 型结构 (24)Tutorial 4: PBG Crystal: Defect Mode 教程四：PBG 晶体：缺陷模型 (24)Rsoft简介包括BeamPROP、FullWAVE、BandSOLVE、GratingMOD、DiffractMOD、FemSIM,以及MOST软件。
Rsoft简介
1．波束传播法介绍波束传播法是常用的设计和模拟波导传输特性的方法。
波束传播法求解时需要两个基本的已知条件，即波导结构的折射率分布和波导输入端的输入光波的场分布(,,)n x y z 和(,,)u x y z 。
用该算法对确定的波导传输进行数值模拟计算时还需要已知以下输入变量：(1)计算区域{min max (,)}x x x ∈ {min max (,)}y y y ∈，和{min max (,)}z z z ∈(2)横向栅格尺寸Δx 和Δy ；(3)纵向步进Δz 。
在标量近似的情况下，波导中的光波可用表征单色光波的亥姆霍兹方程表示：()2222222,,0k x y z x y z θθθθ∂∂∂+++=∂∂∂ (1) 这里标量电场被表示为(),,,(,,)twt E x y z t x y z e θ−=式 (1)中0(,,)(,,)k x y z k n x y z =表示空间相关的波数，其中02/k πλ=表示自由空间的波数，(),,n x y z 表示波导的折射率分布。
除了标量假设外，式 (10 )是精确的。
在通常的波导传输中，光场φ沿波导光轴传输时变化最快的变量是相位。
设光是沿波导的Z 轴传输，为了便于分析迅速变化的相位变量，通过下式引入一个所谓的慢变化场u ，_(,,)(,,)t kz x y z u x y z e θ= (2) 式中k 是表征场φ中的平均相位变化的一个常数，它被称为参考波数。
利用参考波数可以由__0k k n =表征出参考折射率n ，其中0k 表示真空中的波数。
把式 (2)代入亥姆霍兹方程 ( 1) 可以得到表征慢变化场u 的方程： 2222__2222220u u u u i k k k u z z x y ⎛⎞∂∂∂∂++++−=⎜⎟∂∂∂∂⎝⎠ (3) 上式除了用慢变场用u 表示外，其意义完全等效于精确的亥姆霍兹方程。
设场u 随z 的变化非常慢，以致式 (3)中的第一项相对于第二项而言可以忽略。
Rsoft软件(BPM,光束传播法模拟)中文课件(第1-3章)江苏大学陈明阳教授编写 2018最新版
光通信器件设计江苏大学光电信息科学与工程系陈明阳2018.9主讲教师简历⏹陈明阳，博士，江苏大学教授，光电系系主任，江苏省“青蓝工程”培养对象。
博士论文曾获2006年度全国优秀博士学位论文提名奖，导师为我国集成光学创始人于荣金教授。
香港城市大学电子系访问研究员（2014-2015）。
⏹现为IEEE、OSA会员，中国光学学会高级会员，科技部重点研发计划项目、国家自然科学基金项目等评审专家。
⏹主要从事特种光纤结构设计及光纤技术应用等研究工作。
主持完成国家、省部级和横向课题10多项。
⏹发表论文70余篇，其中基于光束传播法应用方面的论文30多篇。
在Optics Letters、Optics Express、IEEE Photonics TechnologyLetters等国际光学期刊上发表SCI收录论文50余篇，其中SCI二区论文17篇。
论文总计被SCI引用500多次。
⏹获授权发明专利40余项，授权PCT专利（美国发明专利）2项（第一发明人）。
研究成果获省部级科技进步二等奖2项（排名第二和第四）。
主讲教师简历⏹近期光束传播法相关论文：⏹ 1. Investigation on adiabatic mode evolution in a few-modeoptical waveguide. Applied Physics B 2018, 124(5): 88.⏹ 2. Design of mode conversion waveguides based on adiabaticalmode evolution for mode division multiplexing. Applied PhysicsB 2017, 123(10): 256.⏹ 3. Design and optimization of fundamental mode filters based onlong-period fiber gratings.Opt. Fiber Technol.,2016, 30,89-94.⏹ 4. Mode-Selective Characteristics of an Optical Fiber With aHigh-Index Core and a Photonic Bandgap Cladding.2016, 22(2): 1-7.第一章绪论1. 学习内容Rsoft:基于光束传播法、时域有限差分法、传输矩阵法等，用于光波导器件设计和分析的专业软件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。
Rsoft软件简介和使用教程
RSOFT 使用教程目录Rsoft 简介 ...............................................错误 ! 不决义书签。
Chapter 7 Tutorials第七章教程 . .........................错误 ! 不决义书签。
Tutorial 1: Ring Resonator教程 1：环形共振器 ...........错误 ! 不决义书签。
Device Layout:器件构造： . ...........................错误 ! 不决义书签。
Defining Variables定义变量 . .........................错误 ! 不决义书签。
Drawing the Structure画器件构造图 . ..................错误 ! 不决义书签。
Checking the Index Profile查对折射率散布 ............错误 ! 不决义书签。
Adding Time Monitors增添时间监督（探测）器 ..........错误 ! 不决义书签。
Simulation: Pulsed Excitation模拟：脉冲激发 .............错误 ! 不决义书签。
Launch Field 激发场 . .................................错误 ! 不决义书签。
Wavelength/Frequency Spectrum波长 / 频次光谱 ..........错误 ! 不决义书签。
Increasing the Resolution of the FFT提升 FFT 的分辨率错误 ! 不决义书签。
Simulation: CW Excitation模拟：连续激发 ................错误 ! 不决义书签。
Tutorial 2: PBG Crystal: Square Lattice教程2：PBG晶体：四方晶格错误!不决义书签。
Rsoft软件(BPM,光束传播法模拟)中文课件(实用操作 )江苏大学陈明阳教授编写 2018最新版
光通信器件设计第七章实用操作江苏大学光电信息科学与工程系陈明阳2018.9第七章实用操作 1 拷贝图形Metafile(图元)格式sita 12345678910M o n i t o r O u t p u t 0.00.10.20.30.40.5Bitmap(位图)格式说明Metafile(图元)格式：适用于曲线图形 Bitmap(位图)格式：通用2 对数(分贝) 表示对于频域（反映波导输出结果与波长关系）的分析，一般用分贝显示结果例：耦合器分析单个计算结果计算波导输出与波长的关系曲线计算结果蓝线：左侧波导绿线：右侧波导对数（分贝dB）显示蓝线：左侧波导绿线：右侧波导3 场分布显示格式调整4 显示比例调整锁定显示比例(自定义显示比例)显示比例(纵/横比)调整显示比例为1:1结果显示5 弯曲波导模拟波导弯曲时导致的传输损耗,可通过软件模拟,采用模式求解法得到。
最常应用于光纤的弯曲损耗模拟例：模拟光纤在不同弯曲半径下的传输损耗波导结构:弯曲半径的设置弯曲半径的设置模拟波导弯曲弯曲半径设置（单位微米）弯曲半径为10mm的石英光纤弯曲半径为10mm的石英光纤弯曲半径为10mm的石英光纤石英光纤应力系数采用相关函数法计算弯曲半径为20mm弯曲半径为5mm6 模场直径计算例：获得通道型波导的模场直径（面积）监视器设置为监视其模场的宽度和高度（对于正方形通道波导以及圆波导，两者结果相同，设置监视模场的宽度或高度即可）直接进行计算，不出现监视结果（原因是监视器缺省范围是0-1）。
rsoft使用手册
rsoft使用手册欢迎使用rsoft! rsoft是一款功能强大的软件，旨在提供高效、稳定的计算与模拟环境。
本使用手册将为您介绍rsoft的基本操作和常用功能，帮助您快速上手和利用其优势进行工作。
1. 安装与启动首先，确保您已从官方网站下载最新版的rsoft安装程序。
双击安装程序并按照提示完成安装过程。
安装完成后，您可以在开始菜单中找到rsoft图标，单击启动程序。
2. 界面概览当您成功启动rsoft后，将会看到主界面。
主界面由多个工具栏和面板组成，以帮助您进行各种操作和查看结果。
以下是主要的界面组件：- 菜单栏：包含各种操作命令和设置选项。
- 工具栏：提供常用的操作按钮，方便您快速访问功能。
- 绘图窗口：用于显示图形结果和仿真器的输出。
- 数据面板：显示当前数据的信息和参数设置。
- 日志窗口：记录程序的运行信息和警告/错误消息。
3. 创建和编辑工程在rsoft中，您可以创建新的工程或者打开已有的工程。
要创建新的工程，请依次选择菜单中的“文件”->“新建工程”，然后根据提示输入工程的名称和相关参数。
如果要打开已有工程，选择“文件”->“打开工程”，然后导航到工程所在的目录并选择相应的文件。
4. 添加组件与设置参数一旦您创建或打开了工程，您就可以开始添加组件并设置参数了。
rsoft提供了各种组件库，如光纤、光波导、滤波器等。
您可以从库中拖放组件到绘图窗口中，并通过双击打开组件设置面板来调整参数。
5. 运行仿真完成组件的添加和参数设置后，您可以点击工具栏上的“运行”按钮来启动仿真。
rsoft将根据您设置的参数进行计算，并在绘图窗口中显示结果。
您可以选择不同的仿真器和算法来优化计算速度和效果。
6. 分析结果仿真完成后，您可以通过绘图窗口和数据面板来分析结果。
绘图窗口可以显示光场分布、功率传输等信息，而数据面板则提供了更详细的参数和模拟数据。
您可以使用图形工具进行数据的处理和导出，以满足不同的需求。
Rsoft软件(BPM,光束传播法模拟)中文课件(第四章 光束传播法基础 )江苏大学陈明阳教授编写 2018最新版
光通信器件设计第四章光束传播法基础江苏大学光电信息科学与工程系陈明阳2018.92.常用电磁场数值方法简介（1）有限差分法(频域有限差分法)⏹有限差分法是利用划分网格的方法将定解区域离散化为网格离散节点的集合，然后基于差分原理，以各离散点上函数的差商来近似替代该点上的偏导数，这样待求的偏微分方程定解问题可转化为一组相应的差分方程的问题。
⏹根据差分方程组，解出各离散点上的待求函数值，即为所求定解问题的离散解。
方法特点⏹原理: 偏导→差分⏹方法特点：原理简单、通用性好；对复杂结构，计算量大(矩阵运算)。
(频域分析)⏹适用范围：计算光波导的模式求解。
⏹现状：适用于较简单结构的分析。
但有限差分(偏导→差分)原理被广泛应用于各种数值计算(2) 有限元法⏹有限元法是以变分原理为基础，把所要求解的微分方程转化为相应的变分问题，即泛函求极值问题。
⏹将分析的区域划分为很多三角形(每个三角形成为一个基元)，每个基元内的场用多项式来表达，然后加入不同基元间场的连续条件，就可得到整个横截面的场分布。
网格化单元示例：⏹现状：功能最强大的数值方法之一。
特别是上世纪90年代出现的矢量有限元方法，完全解决了有限元方法出现的伪解问题，大大降低了有限元法的后处理过程。
⏹发展：有限元光束传播法。
⏹软件：COMSOL MULTIPHYSICS⏹时域有限差分法由K.S.Yee于1966年首先提出，此后经过众多学者的努力，使之不断完善，现已比较成熟。
⏹计算过程为：设置初始场，然后依时间步推进计算，并在每一时间步交替地计算每一离散点的电场和磁场。
应用范围⏹这种方法已被成功地应用于分析Y型波导及S 型弯曲波导中的光波传输，且对损耗的计算也得到了准确的结果；FD-BPM还被用于分析条形波导、三维弯曲波导、二阶非线性效应以及有源器件。
⏹频域分析方面，同样可采用光束传播法进行分析：即虚轴光束传播法或基于相关函数法的光束传播法。
⏹方法特点⏹BPM与FDTD的区别：FDTD每次都要同时计算整个波导的模场，而BPM只算一个面。
Rsoft软件(BPM,光束传播法模拟)中文课件(第1-3章)江苏大学陈明阳教授编写 2018最新版
光通信器件设计江苏大学光电信息科学与工程系陈明阳2018.9主讲教师简历⏹陈明阳，博士，江苏大学教授，光电系系主任，江苏省“青蓝工程”培养对象。
博士论文曾获2006年度全国优秀博士学位论文提名奖，导师为我国集成光学创始人于荣金教授。
香港城市大学电子系访问研究员（2014-2015）。
⏹现为IEEE、OSA会员，中国光学学会高级会员，科技部重点研发计划项目、国家自然科学基金项目等评审专家。
⏹主要从事特种光纤结构设计及光纤技术应用等研究工作。
主持完成国家、省部级和横向课题10多项。
⏹发表论文70余篇，其中基于光束传播法应用方面的论文30多篇。
在Optics Letters、Optics Express、IEEE Photonics TechnologyLetters等国际光学期刊上发表SCI收录论文50余篇，其中SCI二区论文17篇。
论文总计被SCI引用500多次。
⏹获授权发明专利40余项，授权PCT专利（美国发明专利）2项（第一发明人）。
研究成果获省部级科技进步二等奖2项（排名第二和第四）。
主讲教师简历⏹近期光束传播法相关论文：⏹ 1. Investigation on adiabatic mode evolution in a few-modeoptical waveguide. Applied Physics B 2018, 124(5): 88.⏹ 2. Design of mode conversion waveguides based on adiabaticalmode evolution for mode division multiplexing. Applied PhysicsB 2017, 123(10): 256.⏹ 3. Design and optimization of fundamental mode filters based onlong-period fiber gratings.Opt. Fiber Technol.,2016, 30,89-94.⏹ 4. Mode-Selective Characteristics of an Optical Fiber With aHigh-Index Core and a Photonic Bandgap Cladding.2016, 22(2): 1-7.第一章绪论1. 学习内容Rsoft:基于光束传播法、时域有限差分法、传输矩阵法等，用于光波导器件设计和分析的专业软件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。
Rsoft软件简介和使用教程
RSOFT使用教程目录Rsoft简介 (3)Chapter 7 Tutorials 第七章教程 (5)Tutorial 1: Ring Resonator 教程1：环形共振器 (5)Device Layout: 器件结构： (5)Defining Variables 定义变量 (6)Drawing the Structure 画器件结构图 (6)Checking the Index Profile 核对折射率分布 (9)Adding Time Monitors 添加时间监视（探测）器 (10)Simulation: Pulsed Excitation 模拟：脉冲激发 (12)Launch Field 激发场 (12)Wavelength/Frequency Spectrum 波长/频率光谱 (12)Increasing the Resolution of the FFT 提高FFT的分辨率 (14)Simulation: CW Excitation 模拟：连续激发 (16)Tutorial 2: PBG Crystal: Square Lattice 教程 2：PBG 晶体：四方晶格 (17)Lattice layout 晶格布局 (17)Base Lattice Generation 基准晶格的创建 (17)Lattice Customization 定制晶格 (18)Checking the Index Profile 核对折射率分布 (18)Inserting Time Monitors 插入时间监视器 (19)Launch Set Up 激发场设置 (20)Simulation 模拟 (21)Data Analysis 数据分析 (22)Switching Polarization 改变偏振为TM模 (23)Periodic Boundary Condition Set Up (24)Tutorial 3: PBG Crystal: Tee Structure 教程 3：PBG晶体： T型结构 (24)Tutorial 4: PBG Crystal: Defect Mode 教程四：PBG 晶体：缺陷模型 (24)Rsoft简介包括BeamPROP、FullWAVE、BandSOLVE、GratingMOD、DiffractMOD、FemSIM, 以及MOST软件。
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RSOFT使用教程目录Rsoft简介 (3)Chapter 7 Tutorials 第七章教程 (5)Tutorial 1: Ring Resonator 教程1：环形共振器 (5)Device Layout: 器件结构： (5)Defining Variables 定义变量 (6)Drawing the Structure 画器件结构图 (6)Checking the Index Profile 核对折射率分布 (9)Adding Time Monitors 添加时间监视（探测）器 (10)Simulation: Pulsed Excitation 模拟：脉冲激发 (12)Launch Field 激发场 (12)Wavelength/Frequency Spectrum 波长/频率光谱 (12)Increasing the Resolution of the FFT 提高FFT的分辨率 (14)Simulation: CW Excitation 模拟：连续激发 (16)Tutorial 2: PBG Crystal: Square Lattice 教程 2：PBG 晶体：四方晶格 (17)Lattice layout 晶格布局 (17)Base Lattice Generation 基准晶格的创建 (17)Lattice Customization 定制晶格 (18)Checking the Index Profile 核对折射率分布 (18)Inserting Time Monitors 插入时间监视器 (19)Launch Set Up 激发场设置 (20)Simulation 模拟 (21)Data Analysis 数据分析 (22)Switching Polarization 改变偏振为TM模 (23)Periodic Boundary Condition Set Up (24)Tutorial 3: PBG Crystal: Tee Structure 教程 3：PBG晶体： T型结构 (24)Tutorial 4: PBG Crystal: Defect Mode 教程四：PBG 晶体：缺陷模型 (24)Rsoft简介包括BeamPROP、FullWAVE、BandSOLVE、GratingMOD、DiffractMOD、FemSIM, 以及MOST软件。
Rsoft简介
分享新版Rsoft3.0无源光器件设计套件包括BeamPROP、FullWA VE、BandSOLVE、GratingMOD、DiffractMOD、FemSIM, 以及MOST软件。
（详细可询问newrsoft@，QQ：1271089491）以下是Rsoft各个模块的介绍：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。
此软件使用先进的有限差分光束传播法 (finite-difference beam propagation method)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。
另一功能为模拟程序，它可以在主程序内或独立执行模拟分析工作，以图形方式显示域的特性以及用户感兴趣的各种数值特性。
FullWA VE：是一高度整合之复杂光子组件仿真设计分析软件，它使用－有限差分时域之模拟分析方法，藉以分析一般光束传播法所无法建立模型分析的光子组件，例如光晶体与环状共振器等。
因此，RSoft公司所开发的 BeamPROP 与 FullWA VE 软体，两者实际上是具有互补之作用。
其主控程序为 BeamPROP 之 CAD Layout 系统，用来设计光波导组件及光路，亦即 BeamPROP 与 FullWA VE 共享同一个 CAD Layout 程序。
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。
集成了CAD和仿真功能，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片和波导，二维或三维的腔体结构问题以及光子晶体光纤。
GratingMOD：用以设计并分析在光纤/波导光栅元件之应用软件。
体。
其对于发展WDM与DWDM特别有助益。
它适合用来分析已知光栅结构(Design)，亦可藉由量测或已它适合用来分析已知光栅结构(Design)，亦可藉由量测或已知频谱－决定该光栅之特性(Synthesis)。
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总结
1.高阶模的监视器设置 2.重叠区波导折射率确定（通过优先级来改变
重叠区折射率值，谁高[优先级]取谁[折射率差] ）
江苏大学陈明阳
2. M.-Y. Chen, G.-D. Cao, Y.-Q. Tong, and L. Wang, "High-order mode conversion based on adiabatical mode evolution for mode division multiplexing applications," Applied Optics 56, 5125-5130 (2017).
倒树结构模场转换效果图
江苏大学陈明阳
模分复用器/解复用器
辅助纤芯6
选取辅助纤芯6的折射率差为0.0063 ，为了实现从单芯端面输入LP21b时 ，能从辅助纤芯6输出
辅助纤芯5
辅助纤芯5选取折射率差为 0.0083，为了实现从单芯端 面输入LP11b时，能从辅助纤
芯5输出辅。 助纤芯1-4
第一类辅助纤芯选取折射率差为 0.0095，该结构能够实现从LP01、 LP11a、 LP21a、 LP02模式的依次输出 。
模式复用器成为模 分复用系统通信性 能优劣的关键性因 素。江苏 Nhomakorabea学陈明阳
光纤模式转换器设计
建模
35um
L=80mm 20um
Rsoft软件示例
模型结构图
江苏大学陈明阳
1 模式转换器的功能设想
能够实现模式从低阶到高阶的转换 以及模式从高阶到低阶的转换
LP21b
LP11a
LP21a
LP02
LP01
5.6 Y分支波导设计
---模式转换器
江苏大学 光电信息科学与工程系
陈明阳 2018.9
江苏大学陈明阳
研究背景与意义
少模光纤模式复用技术
掺铒光纤放大器-EDFA
EDFA的出现使得光纤长距 离通信成为可能。
波分复用-WDM
波分复用是将两种或多种 不同波长的光载波信号耦 合到同一根光纤中进行传 输的技术
基本结构
方案二就是在方案一的基础上 级联出来的。
江苏大学陈明阳
简并模的转换LP11a模到LP11b模
夹角为45度
折射率差为0.0055
改变输入场与波导的关系 ，可以实现两个简并模之 间的转换
江苏大学陈明阳
有关成果：
1. M.-Y. Chen, G.-D. Cao, L. Yang, Y.-Q. Tong, and J.-Q. Yao, "Design of mode conversion waveguides based on adiabatical mode evolution for mode division multiplexing," Appl. Phys. B 123, 256 (2017).
LP11b
江苏大学陈明阳
模式从高阶到低阶的转换
1.正树结构：模式从高阶模向低阶模转换。
模场转换效果图
江苏大学陈明阳
模式从高阶到低阶的转换
转换特性分析
纤芯模式有效折射率变换曲线曲线 江苏大学陈明阳
模式从高阶到低阶的转换
模式转换效率随波长变化
江苏大学陈明阳
模式从低阶到高阶的转换
2.倒树结构：模式从低阶模向高阶模转换。
空分复用-SDW
空分复用即多对光纤共用1 条缆的复用方式
模分复用-MDW
模分复用技术借助单芯光 纤中有限个独立的正交模 式来江进苏行大信学息陈明传阳递
研究背景与意义
季 度
模分复用系统
模式复用（解复用）器
每路光信号由一个特定模式承载然后通 过模式复用器将承载不同信号的各个模 式复用到同一根 FMF 内进行传输。
江苏大学陈明阳
基本参数
江苏大学陈明阳
波导结构及参数
江苏大学陈明阳
输入端横截面分布
江苏大学陈明阳
波导设置—优先级调整
江苏大学陈明阳
调整后输入端横截面分布
江苏大学陈明阳
路径设置
江苏大学陈明阳
输入场设置
江苏大学陈明阳
监视器设置
江苏大学陈明阳
LP11模转换到LP01模
输出场
江苏大学陈明阳
扫描结果
3. G.-D. Cao, Q. Wang, X. Yan, and M.-Y. Chen. Investigation on adiabatic mode evolution in a few-mode optical waveguide.Appl. Phys. B,2018, 124(5): 88.