本案例將解釋如何在VirtualLab中進行三維光柵建模

本案例所使用的工具箱為光柵工具箱

基于堆棧結構進行光柵模擬的光柵工具箱具有兩種類型的光柵，分別為二維（2D）光柵和三維（3D）光柵

基于堆棧的光柵元件包含一個基板(base block)，堆棧(stack)則位于基板的邊界上，基板為均勻介質，下圖為三種類型的堆棧-基板結構

建模步驟如下：

1. 進入VirtualLab軟件主窗口，通過解決方案(Solutions)-光柵工具箱(Grating Toolbox)-三維光柵工具箱(3D Grating Toolbox)-一般光柵(General Grating Light Path Diagram)，以創建光路流程圖(light path diagram，簡稱LPD)

2. 雙擊LPD中的一般三維光柵(General Grating 3D)，進入光柵編輯窗口

3. (1)在結構/功能(Structure/Function)子窗口中將第一個光學界面選擇作為堆棧(Use Stack on First Interface)，之后點擊“加載(Load)”進入VirtualLab預設堆棧目錄； (2)選擇體光柵(Volume Grating)；(3)點擊“編輯(Edit)”進入堆棧編輯窗口，如下圖所示

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4. 在VirtualLab中，堆棧的定義是通過設定兩個或兩個以上平行光學界面之間填充介質實現的。現在我們演示如何在由兩個光學界面定義的堆棧中更換填充介質。 (1)在光柵堆棧編輯窗口，點擊“加載(Load)”，進入介質目錄； (2)在柱型介質(Pillar Media)中選擇鉻柱(Chromium Pillars)作為光學界面間的介質

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5. 點擊“編輯(Edit)”進入介質界面，確認介質無誤后點擊“預覽  ”， 在預覽窗口改變預覽范圍，以便于清晰展示折射率分布

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6. 將堆棧的兩光學界面間距離改為1um，同時改變堆棧周期(Stack Period)，如下圖所示

7. 要使用傅里葉模態法(Fourier Modal Method，簡稱FMM)進行光柵模擬，需要將用于描述光柵的介質折射率分布，即 ，離散化。在VirtualLab中，離散化是通過設置分立的折射率轉變點(transition points)實現的。下面調整介質折射率離散化相關的數值設置，進入傳播(Propagation)子窗口中，選擇高級設置(Advanced Settings)，在轉變點離散化(Transition Point Decomposition)下使用默認的精確因子(Accuracy Factor)為1，進行離散化預覽(Decomposition Preview)，然后將精確因子調整到3，然后再次進行離散化預覽

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PS：通過提高精確因子，增加了取樣點數，可以看出光柵結構的分辨率更高，因此可以更精確的模擬光柵結構，但同時也需要耗費更多的計算時間

8. 配置傅里葉模態法（FMM），在傳播方法(Propagation Methods)標簽下，點擊”編輯”(Edit)進入FMM配置窗口，選擇衍射級數目(Number of Diffraction Orders)。衍射級數目表示使用FMM方法時所考慮計算的衍射級次總數。

9. 如何選擇衍射級數目？新建參數遍歷(New Parameter Run)，將衍射級數目設置為變量，逐步增加衍射級數目，使用光柵衍射效率分析器(Grating Efficiency Analyzer)確定要獲得真實可信的結果（衍射效率達到收斂時）所需要用到的衍射級數目。操作如下圖：

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PS：由反射率和迭代步數之間的曲線圖可以看出，當衍射級次數為21時，計算的結果趨于穩定，即結果收斂

10. 調整衍射級數目，進入光柵編輯窗口中的傳播(Propagation)子界面，將X和Y方向上的的衍射級數目都改為21

11. 進行近場計算，通過點擊Go! ，計算光柵的透射場和反射場

左邊為以鉻介質構建的三維光柵透射場，右邊為反射場

12. 光柵效率計算，雙擊 ，進入光柵衍射效率分析器（Grating Efficiency Analyzer (3D)），設置如下

13. 將模擬類型改成光柵衍射效率分析器，點擊Go，開始進行光柵效率計算

光柵衍射效率分析器計算結果：左邊為透射效率，右邊為反射效率

三維光柵總的反射效率，透射效率以及吸收率

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