摘要

 

現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)化一般會涉及到大量的參數(shù)，例如：優(yōu)化光柵時不僅需要考慮光柵的幾何參數(shù)，還有所需的入射方向。隨著參數(shù)數(shù)量的大量增加，優(yōu)化越來越具有挑戰(zhàn)性。對于這種情況，VirtualLab Fusion提供了與Dynardo的optiSLang軟件的接口，可以使用不同的高級優(yōu)化算法。

 

VirtualLab Fusion和optiSLang的界面

 

VirtualLab Fusion是一種靈活且可定制的建模工具平臺，可以仿真復(fù)雜的光學(xué)裝置，例如：將一組平面波耦合入光波導(dǎo)。

 

 

optiSLang是一種包含各種高級工具的軟件平臺，包括敏感度分析、多元和多學(xué)科優(yōu)化、魯棒性評估、可靠性分析和魯棒設(shè)計優(yōu)化。  

兩種軟件平臺的結(jié)合使得例如智能光波導(dǎo)耦合等高級光柵結(jié)構(gòu)變?yōu)榭赡堋?/p>

 

VirtualLab Fusion – 光學(xué)裝置初始化

 

初始裝置

─一般來說，在VirtualLab中定義的光學(xué)系統(tǒng)都可以使用optiSLang進行優(yōu)化。

─該例中的光學(xué)系統(tǒng)包含了平面波光源和用于周期性介質(zhì)的波導(dǎo)耦合探測器。

  

VirtualLab Fusion – 波導(dǎo)耦合探測器

 

波導(dǎo)耦合探測

─波導(dǎo)耦合探測器是一種特殊工具，用以探測某個周期性結(jié)構(gòu)以特定角度范圍入射的效率。

─可以從探測器的編輯對話框中的目錄定義或加載周期性結(jié)構(gòu)。

  

VirtualLab Fusion – 波導(dǎo)耦合探測器

波導(dǎo)耦合探測

─該例中使用了傾斜光柵。

 

 

VirtualLab Fusion – 波導(dǎo)耦合探測器

波導(dǎo)耦合探測

─該例中使用了傾斜光柵。

 

VirtualLab Fusion – 波導(dǎo)耦合探測器

 

波導(dǎo)耦合探測

─輸入光源的入射角度范圍在探測器編輯對話框中指定。

─通過最小和最大笛卡爾坐標系角度alpha和beta與它們的采樣點數(shù)定義。

 

VirtualLab Fusion – 波導(dǎo)耦合

 

波導(dǎo)耦合探測

─可以從探測得到的效率計算平均值和均勻?qū)Ρ榷?，并在探測器結(jié)果標簽頁中給出。

─作為結(jié)果，探測器可以用于評估在特定角度范圍內(nèi)的周期性結(jié)構(gòu)。

 

 

VirtualLab Fusion – 輸出LPD至OPtiSLang

 

輸出LPD至OPtiSLang

─File→Export→Export to optiSlang Project

 

VirtualLab Fusion – 輸出LPD至OPtiSLang

 

輸出LPD至OPtiSLang

─File→Export→Export to optiSlang Project

─輸出LPD文件，并產(chǎn)生輸入至optiSLang的必要光學(xué)裝置文件。

 

 

VirtualLab Fusion – 輸出LPD至OPtiSLang

 

輸出LPD至OPtiSLang

─在輸出對話框窗口。

?可定義參數(shù)空間，并包含了參數(shù)的變化范圍。

?可以選擇保存到的輸出文件夾。

?可以指定模擬引擎，用于分析。

 

optiSLang – 初始化優(yōu)化

 

設(shè)置求解器系統(tǒng)

─File→New project…

 

 

optiSLang – 初始化優(yōu)化

 

設(shè)置求解器系統(tǒng)

─繼續(xù)，拖動求解器（Solver）向?qū)У綀鼍埃⊿cenery）窗口。

─打開了一個對話框，列出了幾種求解器（Solver）范例。

─求解器（Solver）范例中必須選擇VirtualLab。

 

optiSLang – 初始化優(yōu)化

 

設(shè)置求解器系統(tǒng)

─然后會彈出文件對話框，必須打開VirtualLab輸出的system.lpd文件。

 

optiSLang – 初始化優(yōu)化

 

參數(shù)化的求解器系統(tǒng)

─參數(shù)化的求解器系統(tǒng)包含相應(yīng)的VirtualLab文件和兩個含有參數(shù)和結(jié)果的XML文件，用于定義優(yōu)化函數(shù)。

─請務(wù)必保存計劃。

 

optiSLang – 初始化優(yōu)化

 

參數(shù)化的求解器系統(tǒng)

─運行求解器系統(tǒng)以檢查是否能正常工作并給出預(yù)期的結(jié)果。

 

optiSLang – 初始化優(yōu)化

 

參數(shù)化的求解器系統(tǒng)

─運行求解器系統(tǒng)以檢查是否能正常工作并給出預(yù)期的結(jié)果。

─通過雙擊結(jié)果（Result）設(shè)計標簽頁中的參數(shù)化（Parametric）求解器系統(tǒng)窗口，可以檢查參數(shù)和結(jié)果。

 

optiSLang –設(shè)置優(yōu)化

 

參數(shù)化的求解器系統(tǒng)

─optiSLang可以進行多目標函數(shù)的光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化。

─這可以在參數(shù)化（Parametric）求解器系統(tǒng)配置的判據(jù)（Criteria）標簽頁中定義。

 

optiSLang –設(shè)置優(yōu)化

 

參數(shù)化的求解器系統(tǒng)

─可以通過拖動均勻化對比度（Uniformity Contrast）到目標最小化（Objective Minimize）判據(jù)中定義第一目標函數(shù)。

─因此優(yōu)化算法會盡可能地使均勻度對比最小化。

 

optiSLang –設(shè)置優(yōu)化

 

參數(shù)化的求解器系統(tǒng)

─可以通過拖動平均值（Mean）到目標最小化（Objective Maximize）判據(jù)中定義第二目標函數(shù)。

─因此優(yōu)化算法會盡可能地使平均效率最大化。

─這步操作被稱為多目標優(yōu)化。

 

optiSLang –設(shè)置優(yōu)化

 

優(yōu)化向?qū)?/p>

─下一步可以通過拖放來使用優(yōu)化向?qū)А?/p>

 

optiSLang –設(shè)置優(yōu)化

 

優(yōu)化向?qū)?/p>

─第一步，提供了各種系統(tǒng)參數(shù)，包括其指定的值范圍。

─此外，optiSLang提供了一個可視化的值范圍，其中標出了初始值。

─然后點擊下一步。

 

optiSLang –設(shè)置優(yōu)化

 

優(yōu)化向?qū)?/p>

─第二步，如果在參數(shù)化的求解器系統(tǒng)中沒有指定優(yōu)化條件，則此時可以指定。

─也可以從其他文檔中輸入條件。

─然后點擊下一步。

 

optiSLang –設(shè)置優(yōu)化

 

優(yōu)化向?qū)?/p>

─第三步，選擇優(yōu)化方法。

─optiSLang提供了類似于紅綠燈的建議形式來選擇合適的方法：

?紅：不適用

?黃：適用

?綠：推薦

─該例中推薦使用進化算法。

─然后點擊下一步。

 

optiSLang –設(shè)置優(yōu)化

 

優(yōu)化向?qū)?/p>

─然后，需要指定一些附加選項。

─建議在算法運行期間顯示后期處理選項，以便在優(yōu)化運行期間訪問結(jié)果數(shù)據(jù)。

─然后點擊結(jié)束。

 

optiSLang –進化算法的高級設(shè)置

 

高級設(shè)置

─雙擊創(chuàng)建優(yōu)化，可以調(diào)整優(yōu)化算法的詳細參數(shù)。

 

optiSLang –進化算法的高級設(shè)置

 

高級設(shè)置

─雙擊創(chuàng)建優(yōu)化，可以調(diào)整優(yōu)化算法的詳細參數(shù)。

─在標簽頁“初始化”、“選擇”、“交叉”和“突變”中授予算法中許多參數(shù)的權(quán)限。

 

 

optiSLang –進化算法的高級設(shè)置

 

高級設(shè)置

─雙擊創(chuàng)建優(yōu)化，可以調(diào)整優(yōu)化算法的詳細參數(shù)。

─在標簽頁“初始化”、“選擇”、“交叉”和“突變”中授予算法中許多參數(shù)的權(quán)限。

─在標簽頁“其他”中，提供了一些預(yù)定義的參數(shù)，適用于大部分優(yōu)化。（例如“EA 10000”）

 

 

optiSLang –進化算法的高級設(shè)置

 

高級設(shè)置

─此外，作為附加選項，可以調(diào)整optiSLang是否自動保存。

─默認情況下，在計算每個設(shè)計迭代后，項目會自動保存。

─特別是對于計算時間短的設(shè)計，這會產(chǎn)生大量開銷并減慢優(yōu)化速度。

─因此，建議將自動保存選項設(shè)置為每50或100個完成的設(shè)計后保存。

 

 

optiSLang –設(shè)計計算的并行化

 

并行化設(shè)置

─一些優(yōu)化算法允許并行計算設(shè)計。

─例如，在進化算法的情況下，一代的所有成員設(shè)計的參數(shù)是已知的，因此可以同時計算以減少計算時間。

─為了允許并行計算，必須啟用多個求解器。

─通過雙擊VirtualLab求解器，可以找到此附加選項。

─建議數(shù)量為CPU的一半到全部真實核心之間，具體取決于每個設(shè)計的計算并行化。

 

 

optiSLang –開始優(yōu)化

 

運行優(yōu)化

─單擊場景（Scenery）中的進化算法（Evolutionary Algorithm）窗口。

─點擊運行按鈕開始優(yōu)化。

 

optiSLang –優(yōu)化結(jié)果

 

優(yōu)化結(jié)果

─優(yōu)化結(jié)束后，可以在新窗口中得到結(jié)果。

 

optiSLang –優(yōu)化結(jié)果

 

優(yōu)化結(jié)果

─Pareto2D圖以點云的形式同時給出了目標值、均勻度對比和平均效率。

─用戶能夠為他的應(yīng)用選擇最合適的設(shè)計。

─在這個例子中，選擇了設(shè)計no.8842，具有~16％的均勻度對比和~20％的平均效率。

 

optiSLang –優(yōu)化結(jié)果

 

優(yōu)化結(jié)果

─每個設(shè)計都存儲在子文件夾?Optimization.opdEvolutionary_Algorithm中的optiSLang項目目錄中。

─此目錄中的每個文件夾（由設(shè)計編號命名）包含將設(shè)計再次導(dǎo)入VirtualLab所需的所有文件。

 

optiSLang –導(dǎo)入優(yōu)化結(jié)果

 

導(dǎo)入優(yōu)化結(jié)果

─要導(dǎo)入感興趣的設(shè)計，使用Import optiSLang Results功能，選擇相應(yīng)的設(shè)計文件夾。

─最后，可以在VirtualLab中進一步分析導(dǎo)入的LPD。

 

總結(jié)

 

作為總結(jié)，下表給出了初始和優(yōu)化后的設(shè)計之間的光柵參數(shù)和性能標準的比較。

 

文檔信息

拓展閱讀

• Analysis of Slanted Gratings for Lightguide Coupling
• Optimization of Lightguide Coupling Grating for Single Incidence Direction
• RDO-Journal Article: “Innovation in Optics and Photonics – VirtualLab and OptiSLang”