CODEV微信简报:复杂光场交换接口——使用CODEV,BeamPROP和FullWAVE进行准确的端到端的衍射分析

简介

Synopsys光学解决方案组(OSG)的光学产品为客户提供了针对光学系统中衍射相关特性的高精度、端到端的分析。

CODE V光束合成传播工具（BSP）、RSoft BeamPROP和RSoft FullWAVE产品都支持复杂光场信息的通用交换格式。因此，这些工具可以很容易地相互交换数据，当需要多个工具时，用户可以便捷地执行一个完整的系统衍射分析。

该接口支持标量场和矢量场以及正方形和矩形数据网格。它可以提供这些产品的光束输入信息和输出结果。其ASCII格式帮助用户通过用户界面进行便捷的操作。

CODE V的光束合成传播工具（BSP）

CODE V的光束合成传播工具（BSP）为光学系统和自由空间的通信器件设定了精确、高效和易于使用的光束传播的行业标准。基于光束波动传播算法的BSP，以及其专利的改进，目的都是为了提供高精度和高效率的能够通过光学系统传播的衍射波前模拟。

BSP将光场表示为单个光束的集合。单个光束由一个基光线和一个光场组成，这个光场最初定位于基光线周围。基光线定义了每个光束的参考位置和方向。基于波动方程是线性的这一事实，这些光束是独立传播的，并且可以在系统任何地方求和得到传播的光场。这种方法可以使光束通过任何可以追迹的物体。

无论哪一种光束传播算法，确定其适当的输入数据都是具有挑战性的。BPS具有开创性的预分析功能，可以根据用户的镜头系统自动推荐分析设置，并在尽可能短的时间内提供准确的方案。

BSP算法准确地工作于特征尺寸大于 10λ的系统。如果光学系统将光耦合到具有较小特征尺寸的波导或器件中，那么复杂光场的交换接口可以通过其他OSG的产品来实现电场的通信，如BeamPROP和FullWAVE。

图1：CODE V生成的复杂光场

图2：在CODE V中模拟的光学系统模型

RSoft BeamPROP

BeamPROP是一种用于集成波导器件、光纤波导器件和电路设计的仿真工具。该软件使用一种先进的有限差分光束传播(BPM)技术来模拟传播光。BeamPROP适用于所有特征尺寸的光学设备。复杂光场的交换接口可以用于CODE V的BSP和BeamPROP之间进行数据通信。复杂光场的交换也可以在所有的RSoft仿真软件包，如BeamPROP和FullWAVE之间进行数据交换。由于BPM算法的基本性质，BeamPROP可以模拟主要沿一个方向传播的光。对于大多数光纤和波导器件，这是一个有效的假设。OSG的FullWAVE则可以用来模拟这种假设不成立的情况。

RSoft FullWAVE

FullWAVE是一个高度复杂的模拟工具，用于研究光在各种光子结构中的传播，包括集成波导器件和光纤波导器件，以及电路和纳米光子器件，如光子晶体。该软件采用时域有限差分法(Finite-Difference Time-Domain, FDTD)对光子结构进行全矢量模拟。由于它不需要假设就直接求解麦克斯韦方程组，FullWAVE适合任何结构类型，不受任何特征大小或传播方向的限制。复杂光场的交换接口可以用于CODE V的BSP和FullWAVE之间进行光场数据的交换。复杂光场的交换接口也可以在所有的RSoft仿真软件包，如BeamPROP和FullWAVE之间进行。时域有限差分模拟是非常严格的，因此，通常仅限于一个小的计算区域计算。

图3：在BeamPROP和FullWAVE里创建的从光纤到波导垂直耦合的模型。用BeamPROP分析光斑转换器，用FullWAVE分析光栅耦合器。