Rsoft指导

1Rsoft软件使用说明洪建勋本说明主要讲解Rsoft软件中Beamprop和Fullwave模块的使用，Beamprop是采用光束传播法来仿真的，Fullwave是采用时域有限差分法来仿真的。具体的算法理论这里不做详细的讲解，可以参考相关的书籍，特别是时域有限差分法，相关的书籍很多。Beamprop和Fullwave模块在同一个环境中运行，因此CAD画图方法基本是一样的。本说明不能成为一个完整的教材，因此这里只对软件做简单的说明，不能面面俱到，描述也尽量简洁，不够清晰之处请结合实际操作理解。本软件也不能对光电子器件的工作原理和设计方法进行讲解，这方面的知识需要参考其他的资料。1.Rsoft软件安装及界面介绍1.1安装安装完成之后将bin和'lincenses'文件夹拷贝到安装目录下，覆盖原来的文件夹。1.2界面介绍运行软件之后显示如下包括菜单和快捷按钮，菜单和一般软件的布局功能相似，应该很好理解，说明如下。File：新建、打开、保存、打印、输出GDS2等格式文件。Edit：复制、粘贴、剪切、旋转、转换成多边形、平坦化。View：全局视图、放大、缩小。Option：选项设置、全局设置。Run：计算快捷按钮介绍如下。包括基本操作按钮、画图按钮、数据查看与仿真按钮。2下图标注了一些常用的按钮的名称，其他的按钮或是相关的设置很少用到，一般选默认。1.3坐标系界面中显示的是X和Z坐标，Y坐标垂直于界面，由里指向外。二维时，y向无穷大，不需要设置y坐标。32CAD画图两个模块的画图方法是一样的，这里，以BEAmprop为例。2.1新建一个文件点击新建出现下图，主要是选择仿真模块，设置全局参数。这里需要对全局设置进行说明，每次画一个部件，它的各个参数默认取全部设置中的值。背景折射率是指没有波导的空间的折射率。折射率之差决定了波导的折射率，比如背景折射4率为1，折射率之差为0.01，那么波导部分的折射率为1.01，二维时，高度为零。如果需要对单个波导进行修改，也时可以的，进入需要修改的部件的属性值对话框中进行修改，可以单个波导各不相同的参数包括折射率之差、高度、宽度、横向折射率分布类型、3D横向结构等。2.2画一个部件，编辑属性以直线波导为例，选择直线波导按钮，在工作窗口中按住鼠标左键，拖曳，即可。如下图所示。这时，波导取全局设置中的参数，长度有拖曳决定。编辑属性方法：在波导上点击右键，属性对话框弹出，如下。5首先，XZ坐标，可以设置成绝对坐标，也可以设置成对于另一个部件的相对坐标。每一个波导都有编号，系统从1开始自动编号，不可修改，如上图的波导的编号为1。下图中，黑框表示起点的X坐标为绝对值，100微米。红框表示起点Z坐标为相对值，相对波导1的起点偏移200微米，也可以设置负的值。绿筐表示终点X坐标为相对值，相对波导1的终点偏移500微米。篮筐表示终点Z坐标为相对值，相对波导2的起点偏移300微米。当下图中的起点和重点设置不一样时，就成了锥形了，不一样时，是宽度锥形，不一样时，是高度锥形，可以通过外形看出来。6一个宽度的锥形设置于结果如下图所示。高度锥形，需要查看XY或YZ截面才能看出。不同时成为折射率锥形，需要查看折射率分布才可以看出。折射率锥形设置如下图所示。起点终点折射率按需设置成不一样。IndexTaper设定起点到终点的变化方式，默认线性（linear），下拉菜单中有三种可选，线性、二次曲线，指数型。也可以自己定义，此时选。以及的意义是一样的。还有的意义，自己想象。7折射率锥形查看如下图所示。在二维结果上点右键，显示一个曲线图。89在上图二维结果上点右键，显示一个曲线图，如下图所示。显然，是线性折射率锥形。如果改成指数型，则如下。10如果自定义呢？会怎么样？自己试试。下面是一个例子。我不知道三次方怎么写，所以乘三次了，你知道怎么写吗？查看结果，接下图所示。折射率的表达如下：0()()nznnfz′′=+Δ其中()nz′为z′点折射率，0n为起点折射率，z′从起点量起，指向终点，即为下图中输入表达式中的z，不是绝对坐标值。nΔ起点终点折射率之差，在这里即为9delta。特别注意的，这里表述的折射率是指。2.3画多个部件通常波导都需要画多个部件，才能够完成。两个相邻的部件之间有连接和重叠两种关系。（1）连接11有的时候两个部件看上去连接好了，实际上却存在微小的间隙，如下图所示。为了确保没有间隙，应检查部件的坐标，看部件2起点的Z坐标是否和部件1终点的Z坐标一样。一种办法是将部件2的X坐标设置成offset模式，相对1偏移0。如下图所示。（2）部件的重叠如果两个部分的折射率不一样，需要确定重叠部分的折射率。12默认取后画的部分的折射率，如下左图所示。也可以通过设置优先级确定，重叠部分取优先级高的部件的折射率，设置方法如下。点击属性框的More-prioritylevel。结果如上由图。（3）折射率属性查看方法可以查看不同方向、或者说不同截面上的折射率。比如XZ、XY、特定Z点处的截面上的折射率。当然二维时Y方向无穷大，不能显示立体图，只能显示二维曲线。操作如下。13假设3D，solidmodel，查看结果如下。如果在outputfileprefix中输入了文件，查看结果就会被保存，否则不能够保存。假设3D，XZ截面，查看结果如下。在图上点击右键，可以显示沿横坐标或纵坐标的二维曲线，如右图所示。2.4养成使用变量的习惯变量的使用相信大家一点都不陌生，在电路仿真中我们也经常使用变量。使用变量的好14处是，可以有序管理设计，便于改变设计，便于扫描参数。举个例子：当你要改变几个波导的宽度时，如果没有使用变量，需要一个一个去点击，去更改；如果使用一个变量widthofbus去设置这些波导的宽度，那么只需要改变widthofbus的值，所有相关的宽度自动更新。变量名可以任意设定，但系统已有的不能够使用。进入变量编辑器的方法很多，工具栏上的以及所有按钮都可以进入。一种方法如下图所示，Expression是变量值。3bemprop仿真仿真需要加监视器，监视保存仿真结果，大多数仿真软件都有添加监视器的功能。就像我们做电路实验一样，需要用到电压表示波器等测量设备测量电路，监视交通流需要用到摄像器材一样。Beamprop中的监视器称为Monitor，图标为，在使用monitor之前，要求还定义路径，用来指定monitor监视的区域或波导，路径称为Pathway，图标。没有Pathway就无法有效使用monitor，打个比方，我们在地图上将一条路标称红色，然后指定在红色的路上安装摄像头监视交通流，设定Pathway就相当于标志红色。Pathway的定义不影响波导结构，不影响计算过程，就好比地图上的红色不影响交通流一样，只是监视而已。3.1Pathway可以定义多条pathway，用几条用哪一条，有自己决定。Pathway得定义如下。点击图15标-new，然后点左键一次选出波导。被选中的波导显示为绿色。再点new，可以定义第二条pathway。完成定义，点OK。3.2Monitor过程如下，这是就需要选着一个pathway了，Type一般选TotalPower或slabmodepower,其他参数选默认。如果需要了解各个参数的设定意义，如要阅读帮助文档。TotalPower指全部光功率，slabmodepower是一个模式的光功率，模式序号由Mode和ModeRadial中的整数确定，0表示基模。16同样可以定义多个monitor。仿真结果依据monitor显示，如下：17如果我们删除monitor2，显示结果就是这样的，如下图所示。3.3激励源的添加和实际实验一样，需要加上信号源才能有输出。Pathway决定信号从哪个路径输入。183.4仿真如果在outputfileprefix中输入了文件，查看结果就会被保存，否则不能够保存。第5项设置计算坐标范围，第6项计算步进，这两项决定了结果的精度，范围越大，步进越小，精度越高，但需要的计算资源越大，花费的时间也越长。3.5参数扫描仿真上面的仿真是取一种波导参数的结果，如果需要改变波导参数，比如宽度，计算新的结19果，则需要重新仿真一次。参数扫描可以让计算机自动完成这些，只需要高速计算机，扫描哪一个参数，起始值，终止值，间隔。需要说明的是，为了参数扫描，必须定义变量。参数扫描时最好保存结果，即在下图的框6中输入文件名，便于查看，因为结果比较多，程序可能不能一次性显示出来。过程如下图所示。2,3,4项分别是起始值，终止值，间隔。也可以扫描2个参数，如下如所示，在中设置第二个变量。计算时当WuhanLigong=1时，把HongJianxun扫描一遍，计算10次；接着，WuhanLigong=2，把HongJianxun又扫描一遍，也是计算10次。一共会计算20次。为了存储，还是设置上图中的框6。204Fullwave仿真Fullwave与Beamprop的画图方法完全一样，仿真方法略有不同。Fullwave通常需要较长的计算时间，但Fullwave能适用于各种不同的波导的仿真，比如环形波导。Fullwave中采用的监视器与Beamprop的不同，其称为TimeMonitor，使用TimeMonitor，不需要定义Pathway，即是说Fullwave中不需要定义Pathway。TimeMonitor只能测量某一Z处XY横截面上的场。Fullwave与Beamprop的使用上的最大的不同就在于TimeMonitor。4.1TimeMonitor的放置214.2TimeMonitor的设置TimeMonitor有很多选项，我们对最重要的几项作说明。第一项是位置设置，与波导位置设置一样，建议多使用offset方式，宽度和高度很重要，决定了观察的面积或区域。2是时域观察选项，就是测量物理量随时间的变化，自变量是时间，单选按钮决定测量哪一种电场分量，只能选一个，每种的意义和电磁场与电磁波课程中的称呼一致，比如选Power，那么显示的就是各个时刻的光功率。有No和Yes的选项，yes表示平均值，No表示瞬时值，所谓平均是指时域平均，好比220V是市电的平均值。选默认。3是空间分布输出，也就是显示Monitor上各点的场量，即是说自变量或横坐标是x，y。当然显示的是最后一个时刻的空间分布，因此上面的的选择对空间分布有影响，通常选SpatialOutput时，将设定为Yes。SpatialOutput可以选多项。4是频率分析选项，通常不用设置，只是在设定为Yes的情况下，可能对SpatialOutput有影响，此时建议设定为DFT。224.3Fullwave仿真中的输入LaunchfieldLaunchfield与BeamProp中相似，如果定义了Pathway，则可以选一个Pathway作为输入波导，如果没有定义Pathway，那么起始坐标Z最小的波导作为输入，如果有多个起始坐标Z最小的波导，那么编号最小的波导将作为输入波导。设置如下图所示，FDTDoptions选默认设置。4.4Fullwave仿真操作PML是吸收边界条件，FDTD算法理论中处理边界的一个方法，是越大越好，但会增加计算难度，通常默认。有特别意义的设置是TimeGrid选项，这些选项FDTD算法理论紧密相关。23如果设置不对，会出现下图的报警，是因为在FDTD算法理论，时间步长和空间步长有一个约束关系，必须满足，称为稳定性条件，因此时间步长和空间步长不是完全独立的，这时，需要减小Timestep。空间步长由决定，时间步长由决定。是计算的结束时间，即仿真的总时间。XYZ坐标范围的设置同前，其他选默认。需要说明的是，XYZ坐标范围越大，时间步长和空间步长越小，计算结果的精度越好，但需要的计算资源越大，计算时间越长，甚至超过了计算机的配置，无法计算。因此需要在精度和计算资源与计算时间之间做平衡。5结果查看仿真完成之后，软件会自动在已有窗口或弹出的窗口中显示结果，但有时结果比较多，程序就把数据保存在文件中，不计入上面TimeMinitor中我们可以选择很多