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 Technology
Letters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-mode
optical waveguide. Applied Physics B 2018, 124(5): 88.
⏹ 2. Design of mode conversion waveguides based on adiabatical
mode evolution for mode division multiplexing. Applied Physics
B 2017, 123(10): 256.
⏹ 3. Design and optimization of fundamental mode filters based on
long-period fiber gratings.Opt. Fiber Technol.,2016, 30,89-94.
⏹ 4. Mode-Selective Characteristics of an Optical Fiber With a
High-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。

光束传播法
⏹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为基础的，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被广泛用于分析各种无源波导器件、具有二阶非线性效应的波导以及有源器件。

3. 学习重点
⏹学习使用Rsoft软件的基本使用方法；
⏹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 学习特点及注意事项
⏹入手简单、精通较难
⏹理论与实践相结合
⏹注重结果分析
⏹理解软件
5 课程基本要求
平时成绩占：30%（考勤+作业），考试成绩：70%（上机）
6 主讲内容
第一章绪论
⏹软件介绍、演示、相关知识
第二章常用CAD操作
⏹波导绘制及操作
第三章基本操作
⏹波导参数设置
第四章BPM基础
⏹BPM基本原理、初始场、监视器设置、模式求解第五章实例操作（重点部分）
第六章光纤光栅模拟
第七章时域有限差分法
7 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。

⏹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。

⏹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。

⏹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。

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一. CAD系统的功能和特点
⏹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
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⏹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。

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(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（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。

微环谐振器
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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、非线性材料中的光传输情况
(3) BandSOLVE
⏹BandSOLVE是世界上首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:光子晶体和波导，腔体结构问题以及光子晶体光纤。

光子晶体分支波导
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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
应用领域
⏹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…
(5) GratingMOD
⏹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。

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例：模式求解
求解波导的模式（场分布及传播常数）
1 波导横截面
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2 基模(LP01模)模场分布(1)
平面图
(2)立体图
3高阶模(LP11模)模场分布(1)平面图
(2) 立体图
3高阶模(LP02模)模场分布(1)平面图
(2) 立体图
3高阶模(LP21模)模场分布(1)平面图
(2) 立体图
例：波导耦合问题分析
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波导横截面分布
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分析结果
左侧波导能量
右侧波导能量
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场分布变化过程
例：光开关分析
电光开关
横截面示意图
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模拟结果：a.开通状态
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b. 关断状态
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例：耦合器的传输特性扫描(1) 波导结构
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2 单个波长下的计算结果
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江苏大学陈明阳3 对波长的扫描结果
输出波长
左侧波导
右侧波导
第二章常用CAD操作
一. 软件使用示例
1. 1×3分支波导模拟
光波导模拟步骤（简略）
(1) 创建新光路，设置基本参数
(2) 绘制波导
(3) 创建相关变量
(4)设置波导参数
(5)折射率分布计算
(6)设置计算参数
(7)运行计算程序
(8)观察结果
(1)创建新光路
江苏大学陈明阳
江苏大学陈明阳
初始对话框参数设置
江苏大学陈明阳。