熟悉集成光学仿真设计软件Word格式.docx
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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OptiBPM3D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-DBeamPropagationMethod,FD-BPM)
光传播方法(BeamPropagationMethod,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:
在这里,我们可以将纯量的电场写成:
空间中的波数(Wave-Number)
;
其
。
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:
其中,
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:
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ProgramFiles目录下。
然后把crack里的容,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>
OptiwaveSoftware>
OptiBPM>
OptiBPMLayoutDesigner.
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ProfilesAndMaterials,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SilicaCore,2DIsotropic和3DIsotropic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)SilicaCore的3DAnisotropic参数如图(六)所示。
图(六)
(7)重复步骤4,并将Name改为SilicaCladding,2DIsotropic和3DIsotropic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。
图(八)
(9)窗口中2Dprofiledefinition的Material选择SilicaCore;
3Dprofiledefinition中的参数:
Layername为channel,Width为4.0,Thickness为2.0,Offset为0.0,Material选择SilicaCore。
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,2Dprofiledefinition的Material选择SilicaCore,3Dprofiledefinition中的参数:
Layername为FiberCore,Rx为2.0,Ry为2.0,Material选择SilicaCore。
录入完成后,打击Add,然后保存。
出现如图(十)所示窗口。
图(十)
(11)回到InitialProperties窗口,Profile选择为ChannelProl。
如图(十一)所示。
图(十一)
(12)单击WaferDimensions,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3DWaferProperties,在Cladding中Material选择SilicaCladding,Thickness为17;
在Substrate中Material选择SilicaCladding,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:
2.详细分析有限差分光传播方法的原理。