BPM的案例
利用RSoft的BPM算法對光波導和簡單光波導器件進行仿真 ￥15
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合。本課程主要使用RSoft算法集中的BPM算法對光波導和簡單光波導器件進行仿真計算，從而對光在波導中的傳輸有一定得了解。
一、軟件CAD界面：
下載網站上的壓縮包，解壓縮后運行C:\Program Files\RSoft\bin文件夾中的bcadw32.exe，即出現如下圖所示的CAD界面。此界面是定義波導結構和下一步計算的前提。
二、單根波導的仿真：
在軟件中，點擊左上角的”New Circuit”按鈕，如圖所示。
點擊后彈出基本設置對話框，波導的一些基本特性參數需要在此設定。我們模擬目前光通信系統中應用最為廣泛的掩埋型二氧化硅波導（channel型）。波導橫截面的尺寸結構為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），通信波長為1.55um。基本參數的設定如下圖所示（注意，軟件中關于長度的單位均為um）：
設置完畢后點擊”OK”，進入CAD界面。
首先畫一根直波導。點擊”Segment mode” （新建文件時默認就是此模式），如上圖紅圈所示。之后在空白的CAD窗口中某一處單擊鼠標左鍵，在任意另一處再單擊左鍵，即可畫出一條波導，如下圖所示。
到目前為止，畫出的波導是任意的，我們還需要對它進行設置，滿足我們設計的要求。將鼠標移動至波導上（紅色區域上），再單擊鼠標右鍵，會彈出波導的設置菜單。由于我們只需要仿真普通的直波導，所以大部分設置保持默認即可。主要需要調整波導的位置。在RSoft軟件中，波導位置是由首尾兩個坐標確定的，并且BPM計算的光是只沿著z軸傳播（即豎直方向），這個是需要特別注意的。具體設置見下圖。
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光通信設計軟件——OptiBPM 光波導設計軟件
OptiBPM是基于光束傳播法(BPM)，對光通過任何波導介質進行仿真，無論是各向同性還是各向異性介質。使用OptiBPM用戶可以在考察近場分布的同時驗證發散場和波導場。
OptiBPM可以提高工程師的工作效率，減少設計風險，并降低與波導器件設計相關的整體成本。
OptiBPM可以模擬二維（2D）和三維（3D）波導器件中的光傳播。
2D區域是：
· X方向（垂直）-橫向
· Z方向（水平）-傳播方向
3D區域是：
· X方向（垂直）-橫向
· Y方向-深度
· Z方向（水平）-傳播方向
注：模擬器件在橫向尺寸上具有階梯狀的有效折射率分布。
要從真實的3D器件獲取二維器件，要應用有效折射率方法。從3D到2D的縮減包含用一維橫截面替換器件的二維橫截面。用一維有效折射率分布代替實際折射率截面。雖然有效折射率法是一種近似解，但它適用于許多器件。BPM 3D提供了階躍折射率波導設計所需的所有工具。在BPM 3D中，輸入建模數據，這些數據由折射率分布、起始傳播場和一組數值參數組成。折射率分布由項目布局中列出的波導結構提供。起始場可以是波導模式、高斯場、矩形場或用戶自定義場。起始場和其他模擬參數在Global Data對話框中指定，該對話框通過Simulation菜單訪問。
數值模擬
OptiBPM處理環境包含光束傳播方法（BPM）作為其核心元素，以及與BPM算法兼容的模式求解器。BPM基于控制介電質中光傳播的方程的數值解。BPM考慮單色信號，并與求解亥姆霍茲方程有關?；诤ツ坊羝澐匠探浦档膫鞑ツＰ陀糜冢?· 簡化模擬
· 減小處理時間
· 更好管理計算機內存
集成環境
OptiBPM能將通道波導、光纖和擴散波導組合到同一個設計模塊中。一個簡易的菜單選項允許對波導在2D和3D間切換。
展開 舊文新讀: 節理化巖石的合成巖體模型[A SRM Model for Jointed Rock]
SRM使用PFC3D建立的BPM模型表示原巖, 用離散斷裂網絡DFN表示節理, 如下圖所示, 來估算巖體的強度屬性和變形屬性, 從而預測巖體的脆性斷裂行為.
建模方法是把斷裂信息(即斷裂幾何形狀和特性)疊加到BPM模型上。即BPM對完整巖石建模，通過修改斷裂接觸點處的接觸模型引入斷裂的力學行為。由于PFC模型本質上是離散的，因此破壞可能在完整的BPM區域和沿斷裂面發生。
SRM克服了早期工作中存在的模型尺寸和表示節理的限制，允許快速構造和測試直徑為10-100米的中等到嚴重節理化的巖石樣本，這些巖石含有數千個非貫通性節理。SRM模擬用于估算巖體的峰前屬性(模量、損傷閾值、峰值強度)和峰后屬性(脆性、殘余強度、破碎)，并用于分析大規模邊值問題(例如巖體邊坡穩定性)。SRM模擬允許考慮三維大型復雜非貫通性節理網絡以及塊體斷裂，包括不完整節理對塊體強度的影響。
一個通用的SRM數值模擬步驟如下:(1) 根據現場數據建立離散斷裂網絡DFN; (2) 對構造的DFN模型進行了隨機抽樣，按恒定的高寬比分離出N個立方樣本進行模擬; (3) 對每個立方樣本進行強度試驗, 并記錄了每個樣本的全部應力應變行為。這種方法為確定大規模巖體樣本的復雜構成行為提供了一種方法。這在實驗室中通常很難實現或不可能實現。
展開 
粘合塊體模擬BBM---Bonded Block Modeling
2 模擬方法
離散元模擬裂縫擴展的方法有三種：第一種方法是使用voronoi單元，早期模擬巖石脆性斷裂主要使用這種方法，而且這種方法目前還在繼續使用(二維Voronoi 塊體生成方法; 三維Voronoi塊體的單軸抗壓強度試驗); 第二種方法是粘結顆粒模擬BPM(Bonded Particle Modeling)，大約在上世紀90年代中期，離散元(PFC,UDEC,3DEC)的提出者Cundall發現如果用顆粒(ball)的組合表示巖石，然后在模型中插入節理面，那么巖石的斷裂有可能沿著顆粒之間的接觸發生，也有可能沿著節理面擴展，這一思想導致了后來BPM和合成巖體SRM的提出(離散斷裂網絡(DFN)[P4]: 創建一個合成巖體SRM)；第三種方法是粘合塊體模擬BBM(Bonded Block Modeling)，這種方法借用了BPM的發展思路，但是又不同于BPM。
3 BBM應用
粘合塊體模擬BBM是3DEC使用的一種分析巖體裂縫擴展和巖體破碎的方法。BBM由一系列非常小的四面體組成，由于尺寸足夠小，因此假定塊體是彈性的，塊體之間的接觸呈彈-塑性狀態，破壞沿著這些接觸發生。生成BBM的方法有兩種，一種方法是用block zone list poly命令將每個單元轉化為block[將單元zone轉化為四面體tetrahedron---block zone list poly (BBM)],另一種方法是從Griddle[Griddle---FLAC3D和3DEC的高級網格劃分工具]中導入。如果產生較大的模型，使用Griddle比使用poly的效率高。作為一種通用的方法，盡管BBM可以應用在巖石工程的眾多領域，但是感覺應用在崩落采礦(Caving Mining)的塊體破碎分析上更合適一些。
展開 MotorCAD Emag 模型導入 Ansys Maxwell
本文將以一款BPM（內轉子永磁電機）電機為例，講解 MotorCAD Emag 模型導入 Ansys Maxwell 全過程。
01.創建Motor-CAD模型
以一臺18槽4極的內轉子表貼式永磁電機為例，創建電機的Motor-CAD Emag模型，模型中需要對電機的幾何參數、材料、激勵和求解內容進行設置。
02.生成VBS文件
Motor-CAD Emag 模型設置完成后，接下來需要通過 Motor-CAD 的 Ansys Electronics Desktop 導出功能生成vbs文件。
生成路徑 >>
Tools->Ansys Electronics Desktop->Export
在Export Format選項中點選Ansys Electronics Desktop
Select File 選擇文件保存路徑 >>
輸入保存文件名稱 >>
BPM_machine.vbs，Save
Export vbs文件到指定的文件夾 >>
03.Ansys Maxwell運行vbs文件
打開 Ansys Maxwell 的前處理器 Ansys Electronics Desktop，建立新的工程 project，在菜單中，點擊Tools > Run Script
軟件會自動彈出下面對話框。找到通過Motor-CAD生成的vbs文件：BPM_machine.vbs，點擊Open完成導入。
展開 LASCAD：如何計算一個簡單激光腔中端面泵浦棒的熱透鏡
光束傳輸代碼（BPM）
僅有拋物線近似和ABCD 代碼并不都能滿足應用。在有些情況，FEA結果可以作為波光傳輸代碼的輸入，這些代碼能以3D方式模擬傳輸波前與有熱畸變的高溫晶體的相互作用，且不使用拋物線近似。這里僅僅只是介紹在默認設置情況下如何啟動BPM代碼，更詳細的描述請參閱LASCAD使用手冊。
點擊LASCAD主窗口中的“BPM”選項中的“Run BPM”命令，在彈出的窗口中的輸入框也用來控制BPM代碼的執行。
圖17
圖18
保持默認設置，單擊“Run BPM”按鈕運行BMP代碼。與BMP主窗口一起，有兩個圖形窗口打開。其中一個顯示反射鏡右端面的模分布，如圖18所示；另一個窗口顯示光束半徑的收斂性與腔迭代次數的增加的關系，如圖19所示。圖19所示的收斂性極限與圖12模式圖左邊放大所示的模光斑大小相當一致。
關于如何運行多模工作時的BPM代碼，請參閱指南2的詳細介紹。
圖19
圖20
展開 如何計算一個側面泵浦棒的簡單激光器諧振腔的熱透鏡效應
光束傳播編碼（BPM）
拋物線近似和ABCD矩陣碼不能應付某些情況。在這些情況下，FEA結果可以被選作光波光束傳播編碼的輸入。光束傳播編碼可以給出一個傳播中的波前與高溫熱變形晶體的相互作用的完全3D模擬，并且不使用拋物線近似。這里僅給出如何在默認設置下啟用BPM碼的簡短介紹。具體操作讀者請參考使用手冊。
計算基模形狀要先在“Parameter Field”窗口中的“General”標簽中將橫模級數改為0，然后點擊LASCAD主窗口的菜單條中的“BPM/Run BPM”打開如圖20所示的窗口。此窗口中的條目可控制BPM碼的運行。
不要改動窗口中的默認設置，直接點擊“Run BMP”運行BPM碼。此時兩個圖形窗口和BPM主窗口一起打開。其中一個圖形窗口顯示在右端面鏡處的模的分布（圖21），另一個顯示了隨著諧振腔迭代的增加，光束半徑的收斂（圖22）。
選中圖20所示窗口中的“Use Aperture Settings”選項，可將BPM碼的光圈設置進行調節。如果基模的光斑尺寸小于光圈設置，例如我們正在使用如4.3章節所做的等于棒半徑的光圈設置，BPM碼顯示的就是多模工作。圖23給出了一個顯示多模結構的模的分布的例子。
BPM碼的其它一些特性如動態增益定向很快便可使用。
圖20
圖21
圖22
圖23
展開 利用Rsoft開展彎曲光纖仿真分析
3 由于BPM計算結果同折射率具有很大關系，所以要養成勤看折射率分布的習慣。
4橫截面網格和光纖軸向的步長需要根據計算精度和計算速度進行合適的選擇。
歡迎通過公眾號"320科技工作室"與我們聯絡
sense2vec---基于語境的詞向量(Contextually-keyed word vectors)
訓練結果如下：
(1) fracture的語義相似：
network; DFN; discrete;
aperture; hydraulic; length;
connectivity; fluid;
heterogeneous; voronoi；
(2) PFC3D的語義相似:
code; particle; Itasca;
BPM; PFC; assembly; PFC2D;
Pierce; UDEC; SJM; bonded;
Cundall; 3DEC
可能是數據量太小或者是數據不干凈，本次試驗沒有產生出太多詞組，doc.noun_chunks的作用沒有顯現出來，沒有生成預期的結果。改用en_core_web_lg模型分詞的效果相對較好：
(1) Discrete_Fracture_Network:
pathways; DFN;
BPM; algorithm; SRM
(2) Monte_Carlo:
reliability; probabilistic;
stochastic; simulation; DFN;
4 結束語
通過訓練sense2vec可以構造出我們專業的詞矢量。不過要得到最好的效果，需要高質量的大型數據集。
展開 RSoft.v8.0(Beamprop,Fullwave,BandSOLVE、GratingMOD、DiffractMOD、FemSIM)
其使得GratingMOD 其使得GratingMOD適用於2D/3D 的模擬，且運算速度較Bi-Directional BPM 更快速。適用于2D/3D的模擬，且運算速度較Bi-Directional BPM更快速。
DiffractMOD：適用于繞射光學結構-例如:繞射光學元件、次波長周期性結構、光子能隙晶體的模擬設計軟體。元件、亞波長周期性結構、光子能隙晶體的模擬設計軟體。DiffractMOD運用包含快速傅立葉分解(fast Fourier factorization)與泛用傳輸線公式(generalized transmission line formulation) -的嚴格藕合波分析
(Rigorous Coupled Wave Analysis - RCWA)技波分析(Rigorous洲Coupled Wave Analysis - RCWA)技巧。 它可以精確有效地模擬- 具有任意網格結構 它可以精確有效地模擬-具有任意網格結構與基本單元折射率剖面的2D/3D 結構，并能分析介電(dielectric)、色散(dispersive)與耗損(lossy) 等與基本單元折射率剖面的2D/3D結構，并能分析介電(dielectric)、色散(dispersive)與耗損(lossy)等材料結構。 材料結構。 再者, 使用者可彈性控制入射方向(incident direction) 與照度極化(polarization of再者,使用者可彈性控制入射方向(incident direction)與照度極化(polarization of illumination) 以完成模擬。illumination)以完成模擬。
展開 
RSoft.v8.0(Beamprop,Fullwave,BandSOLVE、GratingMOD、DiffractMOD、FemSIM)
其使得GratingMOD 其使得GratingMOD適用於2D/3D 的模擬，且運算速度較Bi-Directional BPM 更快速。適用于2D/3D的模擬，且運算速度較Bi-Directional BPM更快速。
DiffractMOD：適用于繞射光學結構-例如:繞射光學元件、次波長周期性結構、光子能隙晶體的模擬設計軟體。元件、亞波長周期性結構、光子能隙晶體的模擬設計軟體。DiffractMOD運用包含快速傅立葉分解(fast Fourier factorization)與泛用傳輸線公式(generalized transmission line formulation) -的嚴格藕合波分析
(Rigorous Coupled Wave Analysis - RCWA)技波分析(Rigorous洲Coupled Wave Analysis - RCWA)技巧。 它可以精確有效地模擬- 具有任意網格結構 它可以精確有效地模擬-具有任意網格結構與基本單元折射率剖面的2D/3D 結構，并能分析介電(dielectric)、色散(dispersive)與耗損(lossy) 等與基本單元折射率剖面的2D/3D結構，并能分析介電(dielectric)、色散(dispersive)與耗損(lossy)等材料結構。 材料結構。 再者, 使用者可彈性控制入射方向(incident direction) 與照度極化(polarization of再者,使用者可彈性控制入射方向(incident direction)與照度極化(polarization of illumination) 以完成模擬。illumination)以完成模擬。
展開 ASAP光學設計軟件
使用時間很長的一種方法是高斯光束傳播，一種方法是光束傳播法(BPM)。BPM 用于處理傳統高斯光束法不能很好處理的微觀結構。
偏正分析——偏振相關元件包括：
1、由瓊斯矩陣模擬理想光學元件，包括:垂直線偏器、水平線偏器、±45°線偏器、1/4波片、1/2片、右旋圓振光偏器以及左旋圓振光偏器;
2、利用 MEDIA CRYSTAL 命令模擬單軸雙折射晶體;
3、利用 MULLER 命令模擬不同透反系數的偏振相關元件;
4、利用 RPM 命令模擬真實的偏器;
5、利用 RRM 命令模擬真實的延遲器;
6、利用 GUM 命令模擬一般的單軸介質;
7、利用 LCC 命令模擬液晶元件;
8、利用 CPE 命令模擬級聯的偏振相關元件
ASAP BIO 將生物系統中光學現象的模擬能力推進到一個嶄新的水平
ASAP BIO 具有與許多其它模擬生物系統中光傳播和散射的工具通過CAD 文件進行數據交換的能力。
生物系統包括使用 CT 或者 MRI 掃描獲得的表面，通常涵蓋了成千上萬個物件。CAD 互通性和先進的光線追跡能力使得 ASAP BIO 能夠輸入、分析并且能夠對這些結構進行精細解析。
生物光學——高精度地模擬光與細胞的相互作用
模擬光在生物組織系統內傳播和散射。是唯一能夠模擬自定義波長的光與生物組織在人體皮膚內發生作用的軟件。也是唯一能夠精確模擬單眼和雙眼系統的軟件。
應用領域客戶分布
經過近30年的發展，ASAP 軟件已被業界所認可，客戶遍布全球40多個國家?？蛻糁屑扔形挥谑澜?00強的大公司，也有正處于創業階段，蓬勃發展的中小企業。
展開 光通訊系統仿真設計軟件——Optiwave系列
光束傳播法，或稱為 BPM是OptiBPM的核心，是一種一步接著一步來仿真光通過任何波導物質的行為，在積體光學及光纖光學中，當光傳播經過可傳導的結構時，其光場可以在任一點被追蹤出來，BPM可以允許觀察任一點被仿真出的光場分布，而且可以容許同時檢查輻射光及被傳播的光場。 光學波導是光組件中的重要組件，它可以在光訊號中扮演傳導、耦合、開關、分光、多任務及解多任務的角色，被動波導、電光組件、發射器、接收器及電子部分裝置被集成于一個芯片上，使用的技術為平面技術，其就好像微電子的技術。 OptiBPM是一套使用者界面非常友善的軟件，它可以在二維及三維的波導組件上仿真光的傳播，且OptiBPM三維仿真提供了任何所需要的步階折射率(Step Index)的波導設計。
應用范圍：波導、光纖、漸變式折射率波導、模態解析
微米納米波導元件模擬軟件OptiFDTD
OptiFDTD 是一個強大、高結合度且人性化界面的應用軟件，它可使用計算機設計及仿真先進的被動組件和非線性光電組件。 OptiFDTD 程序的核心是根據有 FDTD(Finite Difference Time Domain) 限差分時域演算法，其具備二階數值精準度及最先進的邊界條件 - 單軸完美匹配層。這個演算法解決了使用馬克斯威爾微分方程序在時間及空間領域的電場及磁場。它準許任意的幾何圖形及沒有組件材質的限制。 OptiFDTD 讓你可以設計、分析及測試先進被動組件和非線性光電組件中的波的傳遞、散射、反射、繞射、偏振及非線性現象。
展開 FRED功能演示
基于模擬微米或納米尺度結構的FDTD，BPM和EME等第三方麥克斯韋解算法技術，使用GBD允許可以允許其與FRED之間實現數據共享。
高斯光束分解(GBD)是一種用在FRED中，允許通過光線追跡傳播相干場的技術。它第一次是在1969年由J.A.Arnaud提出。
為什么FRED這個特性非常有用：
不是所有的光線追跡軟件都能夠模擬相干場的傳播。FRED可以做到。
通過采用GBD，FRED可以模擬激光系統，可以計算出干涉儀的干涉圖樣，邊緣衍射效應，光纖耦合等。
基于模擬微米或納米尺度結構的FDTD，BPM和EME等第三方麥克斯韋解算法技術，使用GBD允許可以允許其與FRED之間實現數據共享。
GBD算法將secondary rays分配給每個“base ray”(參見下圖)，正是secondary和base的關系允許通過光學系統場傳播計算波前和場系數（Ex，Ey，Ez —real和imaginary）。
更多細節可以在FRED幫助/相干光源概述頁面找到。
分析
FRED由許多不同的分析類型。
? 輻射照度分布（功率/單位面積）
? 強度分布（功率/單位立體角）
? 3D點列圖
? 位置點列圖，方向點列圖，偏振點列圖
? 亮度，照度
? 顏色分析
? 標量/矢量場（振幅，相位，實部和虛部系統，波前）
? 能量密度（功率/單位體積）
? 找到最優焦點
? 光纖耦合
? 光線表面概述
? 光線追跡路徑報告
? 雜散光報告
一些分析量例如輻照度3D圖查看器，允許用戶3D可視化數據，并允許用戶自定義橫截面。相比之下，一些分析量是基于文本格式并顯示在FRED GUI的文本窗口（Text Window）。
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