Rsoft的案例
基于Rsoft軟件的達(dá)曼光柵仿真
上圖為RSoft主界面，藍(lán)色三角形為光源處，紫色框?yàn)楣鈻胖芷诜秶枰O(shè)置光柵周期的XYZ大小，然后利用紅色框內(nèi)的各種模組在周期內(nèi)創(chuàng)建達(dá)曼光柵結(jié)構(gòu)。
根據(jù)優(yōu)化得來(lái)的達(dá)曼光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用各種模組在紫色框內(nèi)創(chuàng)建相關(guān)結(jié)構(gòu)，然后進(jìn)行仿真可以得到達(dá)曼光柵各級(jí)次的衍射能量，其不均勻度小于3%。
3、總結(jié)
利用RSoft軟件的DiffractMOD模塊可以很準(zhǔn)確的得到衍射光柵各級(jí)次的衍射效率。
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面向光柵薄膜光學(xué)性能探究的Rsoft建模與仿真
本案為用戶介紹了利用Rsoft軟件進(jìn)行簡(jiǎn)單的矩形光柵的反射率和吸收率的仿真計(jì)算。比起其他數(shù)值模擬軟件，Rsoft有著計(jì)算速度快，計(jì)算結(jié)果更加嚴(yán)格精確等特點(diǎn)。
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利用RSoft的BPM算法對(duì)光波導(dǎo)和簡(jiǎn)單光波導(dǎo)器件進(jìn)行仿真 ￥15
RSoft是一款非常實(shí)用的光波導(dǎo)仿真軟件。其中包含了BPM,FDTD,FEM等多種算法，使得它能夠適用于各種不同要求場(chǎng)合。本課程主要使用RSoft算法集中的BPM算法對(duì)光波導(dǎo)和簡(jiǎn)單光波導(dǎo)器件進(jìn)行仿真計(jì)算，從而對(duì)光在波導(dǎo)中的傳輸有一定得了解。
一、軟件CAD界面：
下載網(wǎng)站上的壓縮包，解壓縮后運(yùn)行C:\Program Files\RSoft\bin文件夾中的bcadw32.exe，即出現(xiàn)如下圖所示的CAD界面。此界面是定義波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和下一步計(jì)算的前提。
二、單根波導(dǎo)的仿真：
在軟件中，點(diǎn)擊左上角的”New Circuit”按鈕，如圖所示。
點(diǎn)擊后彈出基本設(shè)置對(duì)話框，波導(dǎo)的一些基本特性參數(shù)需要在此設(shè)定。我們模擬目前光通信系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的掩埋型二氧化硅波導(dǎo)（channel型）。波導(dǎo)橫截面的尺寸結(jié)構(gòu)為6um*6um，芯層折射率為1.465，包層折射率為1.455（包層和芯層的折射率差為0.01），通信波長(zhǎng)為1.55um。基本參數(shù)的設(shè)定如下圖所示（注意，軟件中關(guān)于長(zhǎng)度的單位均為um）：
設(shè)置完畢后點(diǎn)擊”O(jiān)K”，進(jìn)入CAD界面。
首先畫一根直波導(dǎo)。點(diǎn)擊”Segment mode” （新建文件時(shí)默認(rèn)就是此模式），如上圖紅圈所示。之后在空白的CAD窗口中某一處單擊鼠標(biāo)左鍵，在任意另一處再單擊左鍵，即可畫出一條波導(dǎo)，如下圖所示。
到目前為止，畫出的波導(dǎo)是任意的，我們還需要對(duì)它進(jìn)行設(shè)置，滿足我們?cè)O(shè)計(jì)的要求。將鼠標(biāo)移動(dòng)至波導(dǎo)上（紅色區(qū)域上），再單擊鼠標(biāo)右鍵，會(huì)彈出波導(dǎo)的設(shè)置菜單。由于我們只需要仿真普通的直波導(dǎo)，所以大部分設(shè)置保持默認(rèn)即可。主要需要調(diào)整波導(dǎo)的位置。在RSoft軟件中，波導(dǎo)位置是由首尾兩個(gè)坐標(biāo)確定的，并且BPM計(jì)算的光是只沿著z軸傳播（即豎直方向），這個(gè)是需要特別注意的。
展開 基于Rsoft軟件進(jìn)行長(zhǎng)周期光纖光柵模擬
圖1 LPFG幾何模型
在研究分析光譜特性過(guò)程中，相位匹配曲線即諧振波長(zhǎng)與光柵周期的關(guān)系曲線是不可或缺的環(huán)節(jié)，本文所建立的LPFG模型均是在Rsoft平臺(tái)上操作的，如圖1所示。
上圖中可以詳細(xì)全面地觀察到光柵的XYZ各方向的形態(tài)。軟件在各參數(shù)設(shè)置好后如圖2所示其中光纖光柵參數(shù)具體設(shè)置為：折變量為0.0005，柵區(qū)長(zhǎng)度為20000，纖芯折射率為1.4681，包層折射率1.4628，纖芯半徑4.15，包層半徑為62.5，環(huán)境折射率為1，柵格調(diào)制區(qū)長(zhǎng)度/光柵長(zhǎng)度（占空比）為0.5。
圖3中標(biāo)注的各模式階次,是在Rsoft中Edit Symbols里將free space wavelength改為要查看的模式階次諧振波長(zhǎng)，然后在Perform Simulation只仿真該諧振波長(zhǎng)，可以查看到對(duì)應(yīng)的階次的模式圖。
圖2 仿真模型設(shè)置參數(shù)
圖3 模擬光譜圖及模式階次
經(jīng)之前講述的掃描過(guò)程仿真出來(lái)的是透射譜曲線，如圖3所示，其中縱坐標(biāo)表示損耗功率（使用Rsoft將各光纖光柵周期仿出來(lái)的透射譜數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)處理軟件上處理后，可以得到各周期透射譜曲線圖，不同諧振波長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的模式也已標(biāo)注上）如果要觀察到某一位置處的光場(chǎng)分布如圖4所示，具體要將最后的展示output設(shè)置為XY視角,同時(shí)在field output format和far field output設(shè)置為Amp、Phase 和 intensivity。
圖4 模式光場(chǎng)分布圖
在光纖光柵中，纖芯中的光傳播時(shí)，能量會(huì)向包層發(fā)生泄露，如圖5所示。這是通過(guò)simulation（紅綠燈），配置光源后運(yùn)行得到的。
展開 
基于Rsoft進(jìn)行LP01模式到高階模式耦合仿真
本案例采用Rsoft軟件，以由SMF和FMF構(gòu)成的非對(duì)稱模式選擇耦合器模型，通過(guò)設(shè)置波導(dǎo)的有效模式折射率以及波導(dǎo)寬度，動(dòng)態(tài)演示了LP01模式分別與LP11模式，LP21模式和LP02模式之間的耦合過(guò)程，并且可以通過(guò)設(shè)置不同的耦合長(zhǎng)度獲得不同的模式占比。
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利用Rsoft開展彎曲光纖仿真分析
Rsoft是一款優(yōu)秀的光學(xué)仿真軟件，里面集成了多個(gè)模塊，其中BPM模塊利用光束傳播法（Beam Propagation Method），能夠進(jìn)行多種類型光器件的仿真，比如分束器、光纖等。這次，利用該模塊展示如何開展光纖彎曲情況下的仿真分析。
初始設(shè)置如下：仿真工具為BeamPROP模塊，維度為3D，自由空間波長(zhǎng)為1.55μm，3D結(jié)構(gòu)為光纖，因?yàn)榭紤]的是空氣情況，所以背景折射率設(shè)置為1。
圖1 初始化參數(shù)設(shè)置
初始化設(shè)置后，建立光纖結(jié)構(gòu)，對(duì)光纖的包層和纖芯特性進(jìn)行設(shè)置。由于Rsoft可以進(jìn)行符號(hào)化運(yùn)行，因此我們涉及到的參數(shù)設(shè)定都盡量用符號(hào)來(lái)表示，設(shè)置的符號(hào)變量如下：光纖纖芯直徑為10μm，折射率1.46，光纖包層直徑為125μm，折射率1.449，長(zhǎng)度10cm，彎曲半徑為5mm。利用符號(hào)對(duì)光纖纖芯和包層的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，其中光纖的彎曲是通過(guò)等效彎曲實(shí)現(xiàn)的，具體參數(shù)設(shè)置如圖3所示。
圖2 符號(hào)變量列表
圖3 等效彎曲設(shè)置
設(shè)置完參數(shù)后，觀察其折射率分布，確認(rèn)折射率分布的合理性。由于此處采用了等效彎曲的方法，因此折射率分布不再是均勻的，如圖4所示。
圖4 折射率分布
然后，將纖芯設(shè)置為路徑，并對(duì)入射場(chǎng)進(jìn)行設(shè)置，入射位置為纖芯端面。需要注意的是，入射場(chǎng)的模式計(jì)算，默認(rèn)是按照背景折射率進(jìn)行計(jì)算，而實(shí)際上需要將其設(shè)置為包層的折射率。
圖5 （左）以背景折射率為基礎(chǔ)計(jì)算的模場(chǎng)分布；（右）以包層折射率為基礎(chǔ)計(jì)算的模場(chǎng)分布
設(shè)置光纖纖芯為監(jiān)測(cè)路徑，同樣注意折射率需要設(shè)置為包層折射率。
現(xiàn)在就可以用以分析光束在彎曲光纖中的傳輸情況。
展開 RSoft.v8.0(Beamprop,Fullwave,BandSOLVE、GratingMOD、DiffractMOD、FemSIM)
做為RSoft光子元件模擬軟體的自動(dòng)優(yōu)化模組，MOST可簡(jiǎn)化參數(shù)掃描與優(yōu)化的定義、計(jì)算及分析。掃描與優(yōu)化的定義、計(jì)算及分析
RSoft.v8.0(Beamprop,Fullwave,BandSOLVE、GratingMOD、DiffractMOD、FemSIM)
做為RSoft光子元件模擬軟體的自動(dòng)優(yōu)化模組，MOST可簡(jiǎn)化參數(shù)掃描與優(yōu)化的定義、計(jì)算及分析。掃描與優(yōu)化的定義、計(jì)算及分析
基于Rsoft軟件光纖光柵的仿真模擬
光纖光柵無(wú)論在光纖傳感領(lǐng)域還是光纖激光器方面被大量研究，那么如何在沒(méi)有進(jìn)行實(shí)體實(shí)驗(yàn)的情況下來(lái)進(jìn)行光纖光柵的模擬呢，本案例主要利用光波導(dǎo)Rsoft仿真軟件對(duì)光纖光柵進(jìn)行模擬分析研究。相信這種方法很實(shí)用哦。
仿真優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)便，相比與傳統(tǒng)的理論模擬分析更直觀且更容易調(diào)試結(jié)果。那么，該如何進(jìn)行模擬分析呢，請(qǐng)跟隨我的腳步一起動(dòng)手操作吧！
第一步：在這里我們使用的軟件為2018版Rsoft軟件建立光纖光柵模型，如圖所示，具體操作為：打開主界面 選擇beamprop模塊，在菜單欄里選擇 Ulity grating mode
圖1中各物理參量含義：Grating Length:光柵長(zhǎng)度;Structure Type:波導(dǎo)類型; Background Index：背景折射率Index difference:波導(dǎo)折射率與包層折射率之差
Waveguide Width:波導(dǎo)寬度（微米）；Modulation Type:調(diào)制類型，包括折射率調(diào)
制和波導(dǎo)形狀調(diào)制；Modulation Depth:調(diào)制深度，即光柵的折射率最大變化值，用Δn表示。Grating Period：光柵周期Λ。Output Prefix：輸出文件名前綴，可以將此對(duì)話框生成的光柵結(jié)構(gòu)存到所命名的文件中。
上圖為光纖光柵結(jié)構(gòu)的具體形貌樣式，操作如下：
第二步：詳細(xì)的參數(shù)配置：具體操作為：選擇紅色波導(dǎo)面 選擇tapers對(duì)光柵形貌進(jìn)行配置。
展開 基于Rsoft多物理場(chǎng)耦合的熱光調(diào)制模擬
是基于rsoft軟件中beam模塊耦合熱光調(diào)制物理場(chǎng)而展開模擬研究的。
圖1 熱光調(diào)制光開關(guān)基本幾何模型
其中加熱電極為鋁電極，具體配置的材料參數(shù)圖示如下圖2所示：
圖2鋁電極材料設(shè)置參數(shù)
其中參數(shù)WA,PxA均為參數(shù)變量，可自行設(shè)定控制波導(dǎo)所在位置。由于熱光調(diào)制效應(yīng)需要涉及到物理場(chǎng)熱光效應(yīng)模塊，因此對(duì)于波導(dǎo)、鋁電極材料分別進(jìn)行相應(yīng)材料參數(shù)設(shè)定。具體如下圖3所示
圖3 波導(dǎo)材料及鋁熱電極熱光材料參數(shù)設(shè)定
在完成多物理場(chǎng)耦合設(shè)置后，進(jìn)行物理場(chǎng)模擬運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果如下所示，由于溫度的變化導(dǎo)致波導(dǎo)表面的折射率發(fā)生相應(yīng)的改變：
圖4 溫度變化導(dǎo)致波導(dǎo)表面處有折射率變化
圖5 熱光調(diào)制光開光結(jié)果圖
如圖5所示，為耦合式光開關(guān)調(diào)控光場(chǎng)的模擬示意圖，藍(lán)色為入射光波導(dǎo)中的光監(jiān)測(cè)能量，綠色為耦合端波導(dǎo)的耦合光能量。因?yàn)榧訜犭姌O對(duì)耦合器的熱光調(diào)制作用會(huì)使得入射光端處的光能量更顯著一些，而耦合端的光能量較低。因此可實(shí)現(xiàn)光開關(guān)的閉合和通路的作用。
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展開 基于Rsoft進(jìn)行單模光纖的基模計(jì)算
建立波導(dǎo)
進(jìn)入RSoft CAD-Layout，點(diǎn)擊左上角的“New Circuit”按鈕，新建仿真文件，波導(dǎo)的一些基本特性參數(shù)需要在此設(shè)定。3D Structure Type 設(shè)為 Fiber 。波導(dǎo)橫截面的尺寸結(jié)構(gòu)為 6um，芯層折射率為 1.465，包層折射率為 1.455（包層和芯層的折射率差為 0.01）。設(shè)定界面如下圖所示：
點(diǎn)擊BeamPROP窗口左邊的mode，繪制相應(yīng)形狀的波導(dǎo)。鼠標(biāo)左鍵，在任意另一處再單擊左鍵，即可畫出相應(yīng)的波導(dǎo)。將鼠標(biāo)移動(dòng)至波導(dǎo)上（紅色區(qū)域上） ，再單擊鼠標(biāo)右鍵，會(huì)彈出波導(dǎo)的設(shè)置菜單。通過(guò)設(shè)置變量可以方便的改變波導(dǎo)的位置以及大小。
要實(shí)現(xiàn)仿真結(jié)果，我們還需要設(shè)置光源的特性和觀察的路徑，還需要添加監(jiān)視器觀察輸出特性。設(shè)置路徑通過(guò)單擊左側(cè)工具欄中的“Edit Pathways”按鈕。 單擊后左側(cè)工具欄會(huì)變成路徑設(shè)置欄。點(diǎn)擊“New”按鈕，會(huì)新建一個(gè)路徑，再左鍵點(diǎn)擊我們畫好的波導(dǎo)，使路徑與波導(dǎo)相一致（此時(shí)波導(dǎo)會(huì)變綠色），如下圖：
然后再點(diǎn)擊“Monitors”按鈕，會(huì)彈出一個(gè)小對(duì)話框，設(shè)置一個(gè)與路徑相匹配的探測(cè)器。按照 下圖提示設(shè)置完后， 點(diǎn)擊對(duì)話框的“OK”按鈕回到路徑設(shè)置模式， 再點(diǎn)擊左側(cè)的“OK”按鈕回到 畫圖模式。
再進(jìn)行光源的設(shè)置。單擊左側(cè)工具欄中的“Edit Launch Field”按鈕，如下圖。 單擊后會(huì)彈出輸入光源的設(shè)置對(duì)話框。。如下圖： 設(shè)置完成點(diǎn)擊“OK”。至此，模擬環(huán)境已基本設(shè)置完畢。模擬前，需先將文件保存下來(lái)。
展開 
基于rsoft beamprop模塊的一階光柵模擬分析
就是利用Rsoft軟件中的beamprop模塊進(jìn)行光纖光柵模擬。
步驟一：進(jìn)行環(huán)境全局變量的設(shè)置，具體如下：
圖1 全局變量設(shè)置
在該模擬中我們?cè)O(shè)定入射光的中心波長(zhǎng)為1.55微米，背景折射率為空氣。配置相應(yīng)的全局變量如上圖所示。
步驟二：進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。由于光柵設(shè)置中我們需要明確周期長(zhǎng)度以及折射率調(diào)制系數(shù)等相關(guān)參數(shù)，因此在symbol中將考慮好的參變量錄入，如下圖2所示
圖3 參變量設(shè)置
步驟三：插入特定函數(shù)表達(dá)式：
光柵函數(shù)step(MZ）. 函數(shù)形式分別如下圖所示。
圖4 參變量設(shè)置
圖5 函數(shù)形狀展示
步驟四：光柵表面折射率分布圖
圖6光柵表面折射率分布圖
如圖6所示為光柵表面折射率分布，進(jìn)一步利用運(yùn)算中的背向反射計(jì)算功能可以實(shí)現(xiàn)光譜反射、及透射光譜的運(yùn)算，計(jì)算結(jié)果如圖7所示。
圖7光柵在不同溫度下的透射光譜
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展開 基于Rsoft的三芯光子晶體光纖數(shù)值仿真
Rsoft是專門做光子晶體光纖仿真軟件，可以通過(guò)utility里面的Arrary Layout 來(lái)創(chuàng)建三維光子晶體光纖。建立三維模型時(shí)在Dimens中選擇選擇2Dxy。選擇BeamPROP模塊的波束包絡(luò)法對(duì)三芯光子晶體光纖進(jìn)行仿真，圖1為仿真模型，背景為熔融二氧化硅材料，紅色柱體為氣孔，黃色柱體為纖芯。中間纖芯為定為纖芯1，左邊纖芯定為纖芯2，右邊纖芯定為纖芯3。仿真時(shí)，光源的Type選擇為Fiber Mode，然后分別對(duì)1、2、3的纖芯路徑的能量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
圖1 三芯光子晶體光纖建模圖
如圖2,為三芯PCF的縱向功率分布圖，光源從纖芯1輸入波長(zhǎng)為1550nm的光，通過(guò)仿真可以看出纖芯1的能量在向纖芯2、纖芯3耦合。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)對(duì)稱可以從數(shù)值仿真結(jié)果中得出纖芯2、纖芯3耦合的能量相同。當(dāng)給PCF一個(gè)彎曲量時(shí)纖芯2、纖芯3的能量曲線就不會(huì)重合。這是因?yàn)榫嚯x發(fā)生了改變。
圖2 縱向功率分布圖
圖3為模場(chǎng)分布圖，在開始傳輸時(shí)纖芯1的能量高，然后能量會(huì)耦合到另外兩個(gè)纖芯上。從圖3中可以看出能模態(tài)在纖芯間的耦合。
圖3 模場(chǎng)分布圖
通過(guò)軟件中的仿真1330~1700nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)纖芯1的透射光譜，仿真得到透射光譜有明顯的對(duì)比度。并且可以選擇波谷作為傳感的參考點(diǎn)，可以進(jìn)一步做溫度，磁場(chǎng)，曲率等的仿真，為實(shí)驗(yàn)提供理論支撐。
圖4 透射光譜
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公眾號(hào):320科技工作室
展開 基于Rsoft的Fullwave仿真模塊進(jìn)行雙芯波導(dǎo)能量耦合與波分復(fù)用
Rsoft中的Fullwave仿真模塊可以更精確的仿真微小結(jié)構(gòu)，按照建立模型，設(shè)置參數(shù)，監(jiān)測(cè)能量，優(yōu)化結(jié)構(gòu)的思路對(duì)其進(jìn)行仿真。圖1是在Fullwave模塊中建立的雙芯波導(dǎo)仿真模型。在模型中設(shè)置好折射率、光源、光路、監(jiān)測(cè)器等便可以進(jìn)行仿真。
圖1 雙芯波導(dǎo)建模圖
通過(guò)仿真得到如圖2所示的雙芯波導(dǎo)的縱向功率分布圖，波長(zhǎng)為1310nm到1550nm的光源從波導(dǎo)的一個(gè)芯輸入，通過(guò)仿真可以看出雙芯波導(dǎo)的能量從一根耦合到另一根。
Zemax案例 | 基于Zemax實(shí)現(xiàn)AR波導(dǎo)全視野高均勻性設(shè)計(jì)方案
系統(tǒng)仿真：多軟件聯(lián)合驗(yàn)證方案可行性
在完成光柵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與Zemax成像性能驗(yàn)證后，團(tuán)隊(duì)采用Lighttools與Rsoft軟件搭建了完整的L型光柵波導(dǎo)系統(tǒng)仿真模型，對(duì)全系統(tǒng)的眼動(dòng)范圍均勻性、能量效率進(jìn)行了全面驗(yàn)證，同時(shí)結(jié)合Zemax的成像仿真結(jié)果，形成了“設(shè)計(jì)-成像驗(yàn)證-系統(tǒng)驗(yàn)證”的完整仿真流程。
仿真模型構(gòu)建
1.利用Rsoft軟件的RCWA功能，生成折疊光柵、出耦合光柵、入耦合光柵的雙向散射分布函數(shù)（BSDF），精準(zhǔn)描述光柵的衍射特性；
2.在Lighttools中搭建L型光柵波導(dǎo)的三維模型，導(dǎo)入Rsoft生成的BSDF文件，設(shè)置波導(dǎo)的全內(nèi)反射（TIR）條件，模擬光在波導(dǎo)中的傳播、耦合、出瞳擴(kuò)展過(guò)程；
3.考慮光的偏振特性，采用9點(diǎn)法評(píng)價(jià)眼動(dòng)范圍均勻性：在16mm×12mm的眼動(dòng)范圍內(nèi)均勻選取9個(gè)3mm×3mm的區(qū)域，計(jì)算各區(qū)域的平均照度，通過(guò)公式計(jì)算空間均勻性。
圖6 （a）Lighttools中搭建的L形光柵波導(dǎo)模型；（b）九點(diǎn)法示意圖
核心仿真結(jié)果
1.眼動(dòng)范圍均勻性：在20°×15°的全視野范圍內(nèi)，所有視場(chǎng)的眼動(dòng)范圍均勻性均大于0.78，中心視場(chǎng)均勻性更是超過(guò)0.84，遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，能為用戶提供無(wú)亮度波動(dòng)的沉浸式視覺(jué)體驗(yàn)；
2.全視野均勻性補(bǔ)充驗(yàn)證：采用3mm×3mm卷積核對(duì)整個(gè)眼動(dòng)范圍的照度分布進(jìn)行卷積分析，以P5/P95值評(píng)價(jià)全視野均勻性，結(jié)果顯示所有視場(chǎng)的P5/P95值均大于0.66，驗(yàn)證了全眼動(dòng)范圍的照度均勻性；
3.能量效率：全系統(tǒng)的能量效率為0.03~0.07，雖受多次衍射效應(yīng)影響存在一定能量損耗，但可通過(guò)優(yōu)化光柵結(jié)構(gòu)進(jìn)一步提升，且在均勻性優(yōu)先的設(shè)計(jì)目標(biāo)下，該能量效率處于可接受范圍。
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