熟悉集成光学仿真设计软件学习资料

熟悉集成光学仿真设

计软件

实验一熟悉集成光学仿真设计软件

一、实验目的：

1．掌握OptiBPM 6.0的基本操作；

2．掌握利用OptiBPM 6.0进行光学仿真的一般方法；

3. 了解BPM方法的基本原理。

二、实验原理：

1、OptiBPM

光波导是光子器件的关键部分，它扮演着引导、耦合、开关、分开、复合和解复合光信号的角色。无源光波导、光电子器件、发送器、接收器和驱动电子设备可以用类似于微电子的平面技术集成在一个芯片上。尽管波导器件的工作原理已经被很深入的研究和了解，它们具体的特性与许多参数有关，包括几何形状、波长、初始场分布、材料数据、电光驱动条件以及其它的参数。在制造器件之前，这些参数必须先被优化。

OptiBPM是一个功能强大、友好的系统，它提供各种集成光学问题的计算机辅助设计。OptiBMP的核心－光束传播法或者BPM，是一种步进式的、模拟光在任何波导介质中的通道的理论。在集成光学中，当光场沿着波导结构传播时，它在任何一点都可以被跟踪。BPM提供计算机模拟完成后的光场分布的观察，可以同时检测辐射模和导模。对于大尺寸的光电回路，由于制造芯片需要大量的资源，因此正确的建立模型是占主导地位的。光波导的设计依赖于光信号的模拟传播、波导模式、模式耦合、损耗和增益。BPM是相当友好的软件，能模拟二维和三维波导器件中的光传播。三维中的一维是横向，作为X轴。第二维是传播方向，作为Z轴。对于3D模拟，第三维是Y方向，作为深度方向。被模拟的器件在横向上具有阶跃式有效折射率分布，并且OptiBPM 3D提供用户所需的所有的阶跃折射率波导设计的工具。

OptiBPM对于设计和模拟光波导来说是理想的。波导可以集成在衬底上或者是光纤波导。集成波导可以是条形波导、脊型波导、掩埋型波导或者扩散形成的渐变折射率波导。波导建模可以用在具有功能的器件的设计方面，例如分波器、合波器、耦合起，调制器和复用器。利用OptiBPM，可以为波导和由一些波导组成的具有上叙功能的方案建立模型。

2、有限差分光传播方法（F-D BeamPropagation Method, FD-BPM）

光传播方法（Beam Propagation Method, BPM）被广泛的利用于集成光学组件及光纤光学装置的仿真计算，而BPM被广泛使用有下列几个原因：BPM 在计算的概念上简单易懂，且允许快速的执行基本的技术。它除了相对的简单以外，BPM 通常是一个很有效的方法，以及它可以计算复杂的几何结构，在许多情况下，是最理想的特性，这就是说计算的效果与计算的格点成正比的关系。BPM 的另外一个特性就是很容易应用于复杂的几何学，而不需要再发展专门的方法来做计算。

BPM是以近似的方式来解绝对波方程式。且公式中做了纯量场（也就是忽略偏极）及近轴（也就是传播中的光的发散角很窄）的近似。从单色波的Helmholtz 方程式中我们做了波为纯量场的假设之后我们可以写成：

2222222

(,,)0???+++=???k x y z x y z φφφφ 在这里，我们可以将纯量的电场写成：

(,,,)(,,)j t E x y z t x y z e ωφ-=

空间中的波数(Wave-Number)220(,,)(,,)=?k x y z k n x y z ；其

02/k πλ=。折射指数分布n(x,y,z)一但被决定我们就可以完整的解出此波动方程式。假设波沿着z 方向传播则：

(,,)(,,)=jkz x y z u x y z e φ 其中，k 为一个常数来描述电场的相位。接着，我们把上面所描述的

式子代入Helmholtz 方程式得到：

222222222()0????++++-=????u u u u jk k k u z z x y 222222[()]2???=++-???u j u u k k u z k x y

这就是三维（3D ）的基本BPM 方程式；另外，将Y 方向的关系删去即可得到二维的BPM 方程式。

在上面所描述的方法中，因为u 是一个相位变化缓慢的项，所以我们可以把二次微分项忽略，并且，我们在计算时的z 方向格点可以取比一个波长还大，这样一来就可以减少大量的计算时间。

三、实验内容：

学习OptiBPM 的安装方法并参考OptiBPM 用户手册熟悉软件的基本操作。

四、实验方法：

1．安装OptiBPM 软件

安装OptiBPM ，在OptiBPM 文件里，找到Install 子文件夹，点击setup.exe,安装选择在D 盘的Program Files 目录下。然后把crack 里的内容，复制到安装目录里的bin 文件夹里。

2. 快速启动

在任务栏的开始选所有任务> Optiwave Software > OptiBPM > OptiBPM Layout Designer.

3. 使用OptiBPM 创建工程的基本过程：

（1）打开软件后，出现如图（一）所示的窗口。

图（一）

（2）在file单击左键，在下拉菜单中单击new，新建材料库。出现如图（二）所示窗口。

图（二）

（3）单击Profiles And Materials，出现如图（三）所示窗口。

图（三）

（4）右键单击Materials里的Dielectric，在下拉菜单中单击new，出现如图（四）所示的窗口。

图（四）

（5）将Name改为Silica Core，2D Isotropic和3D Isotropic中的折射率参数都改为1.5，然后保存。出现如图（五）所示窗口。

图（五）

（6）Silica Core的3D Anisotropic参数如图（六）所示。

图（六）

（7）重复步骤4，并将Name改为Silica Cladding，2D Isotropic和3D Isotropic中的折射率参数都改为 1.48，然后保存。出现如图（七）所示窗口。

图（七）

（8）右键单击Profiles里的Channel，在下滑菜单中单击new，出现如图（八）所示的窗口。

（9）窗口中2D profile definition的Material选择Silica Core；3D profile definition中的参数：Layer name为channel，Width为 4.0，Thickness为2.0，Offset为0.0，Material选择Silica Core。录入完成后，单击Add，然后保存。出现如图（九）所示窗口。

图（九）

（10）右键单击Fiber，在下拉菜单中单击new。出现的窗口中，2D profile definition的Material选择Silica Core，3D profile definition 中的参数：Layer name为Fiber Core，Rx为2.0，Ry为2.0，Material选择Silica Core。录入完成后，打击Add，然后保存。出现如图（十）所示窗口。

（11）回到Initial Properties窗口，Profile选择为ChannelProl。如图（十一）所示。

图（十一）

（12）单击Wafer Dimensions，在出现的窗口中，录入Length为800，Width为40，如图（十二）所示。

图（十二）

（13）单击3D Wafer Properties，在Cladding 中Material选择Silica Cladding，Thickness为17；在Substrate中Material选择Silica Cladding，Thickness为15。如图（十三）所示。

图（十三）

（14）单击OK，出现如图（十四）所示窗口。

图（十四）

五、分析与问题:

1．总结利用OptiBPM 仿真的基本方法；

答：OptiBMP 的核心－光束传播法或者BPM ，是一种步进式的、模拟光在任何波导介质中的通道的理论。在集成光学中，当光场沿着波导结构传播时，它在任何一点都可以被跟踪。BPM 提供计算机模拟完成后的光场分布的观察，可以同时检测辐射模和导模。对于大尺寸的光电回路，由于制造芯片需要大量的资源，因此正确的建立模型是占主导地位的。光波导的设计依赖于光信号的模拟传播、波导模式、模式耦合、损耗和增益。BPM 是相当友好的软件，能模拟二维和三维波导器件中的光传播。三维中的一维是横向，作为X 轴。第二维是传播方向，作为Z 轴。对于3D 模拟，第三维是Y 方向，作为深度方向。被模拟的器件在横向上具有阶跃式有效折射率分布，并且OptiBPM 3D 提供用户所需的所有的阶跃折射率波导设计的工具。

2．详细分析有限差分光传播方法的原理。

答：BPM 是以近似的方式来解绝对波方程式。且公式中做了纯量场（也就是忽略偏极）及近轴（也就是传播中的光的发散角很窄）的近似。从单色波的Helmholtz 方程式中我们做了波为纯量场的假设之后我们可以写成：

2222222(,,)0???+++=???k x y z x y z

φφφφ 在这里，我们可以将纯量的电场写成：

(,,,)(,,)j t E x y z t x y z e ωφ-=

空间中的波数(Wave-Number)220(,,)(,,)=?k x y z k n x y z ；其

02/k πλ=。折射指数分布n(x,y,z)一但被决定我们就可以完整的解出此波动方程式。假设波沿着z 方向传播则：

(,,)(,,)=jkz x y z u x y z e φ 其中，k 为一个常数来描述电场的相位。接着，我们把上面所描述的

式子代入Helmholtz 方程式得到：

222222222()0????++++-=????u u u u jk k k u z z x y 222222[()]2???=++-???u j u u k k u z k x y

这就是三维（3D ）的基本BPM 方程式；另外，将Y 方向的关系删去即可得到二维的BPM 方程式。