VirtualLab Fusion中運(yùn)用optiSLang進(jìn)行光柵優(yōu)化
摘要
現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)化一般會(huì)涉及到大量的參數(shù)，例如：優(yōu)化光柵時(shí)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(lái)越具有挑戰(zhàn)性。對(duì)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(jí)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(tái)，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(jí)工具的軟件平臺(tái)，包括敏感度分析、多元和多學(xué)科優(yōu)化、魯棒性評(píng)估、可靠性分析和魯棒設(shè)計(jì)優(yōu)化。
兩種軟件平臺(tái)的結(jié)合使得例如智能光波導(dǎo)耦合等高級(jí)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(lái)說(shuō)，在VirtualLab中定義的光學(xué)系統(tǒng)都可以使用optiSLang進(jìn)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(cè)器。
VirtualLab Fusion – 波導(dǎo)耦合探測(cè)器
波導(dǎo)耦合探測(cè)
─波導(dǎo)耦合探測(cè)器是一種特殊工具，用以探測(cè)某個(gè)周期性結(jié)構(gòu)以特定角度范圍入射的效率。
─可以從探測(cè)器的編輯對(duì)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(cè)器
波導(dǎo)耦合探測(cè)
─該例中使用了傾斜光柵。
VirtualLab Fusion – 波導(dǎo)耦合探測(cè)器
波導(dǎo)耦合探測(cè)
─該例中使用了傾斜光柵。
VirtualLab Fusion – 波導(dǎo)耦合探測(cè)器
波導(dǎo)耦合探測(cè)
─輸入光源的入射角度范圍在探測(cè)器編輯對(duì)話框中指定。
─通過(guò)最小和最大笛卡爾坐標(biāo)系角度alpha和beta與它們的采樣點(diǎn)數(shù)定義。
VirtualLab Fusion – 波導(dǎo)耦合
波導(dǎo)耦合探測(cè)
─可以從探測(cè)得到的效率計(jì)算平均值和均勻?qū)Ρ榷龋⒃谔綔y(cè)器結(jié)果標(biāo)簽頁(yè)中給出。
─作為結(jié)果，探測(cè)器可以用于評(píng)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(duì)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(dòng)求解器（Solver）向?qū)У綀?chǎng)景（Scenery）窗口。
─打開了一個(gè)對(duì)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(huì)彈出文件對(duì)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(gè)含有參數(shù)和結(jié)果的XML文件，用于定義優(yōu)化函數(shù)。
─請(qǐng)務(wù)必保存計(jì)劃。
optiSLang – 初始化優(yōu)化
參數(shù)化的求解器系統(tǒng)
─運(yùn)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(yùn)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(guò)雙擊結(jié)果（Result）設(shè)計(jì)標(biāo)簽頁(yè)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(jìn)行多目標(biāo)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(biāo)簽頁(yè)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(guò)拖動(dòng)均勻化對(duì)比度（Uniformity Contrast）到目標(biāo)最小化（Objective Minimize）判據(jù)中定義第一目標(biāo)函數(shù)。
─因此優(yōu)化算法會(huì)盡可能地使均勻度對(duì)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(guò)拖動(dòng)平均值（Mean）到目標(biāo)最小化（Objective Maximize）判據(jù)中定義第二目標(biāo)函數(shù)。
─因此優(yōu)化算法會(huì)盡可能地使平均效率最大化。
─這步操作被稱為多目標(biāo)優(yōu)化。
optiSLang –設(shè)置優(yōu)化
優(yōu)化向?qū)?/p>
─下一步可以通過(guò)拖放來(lái)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(gè)可視化的值范圍，其中標(biāo)出了初始值。
─然后點(diǎn)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(shí)可以指定。
─也可以從其他文檔中輸入條件。
─然后點(diǎn)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(lái)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(jìn)化算法。
─然后點(diǎn)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(xiàng)。
─建議在算法運(yùn)行期間顯示后期處理選項(xiàng)，以便在優(yōu)化運(yùn)行期間訪問(wèn)結(jié)果數(shù)據(jù)。
─然后點(diǎn)擊結(jié)束。
optiSLang –進(jìn)化算法的高級(jí)設(shè)置
高級(jí)設(shè)置
─雙擊創(chuàng)建優(yōu)化，可以調(diào)整優(yōu)化算法的詳細(xì)參數(shù)。
optiSLang –進(jìn)化算法的高級(jí)設(shè)置
高級(jí)設(shè)置
─雙擊創(chuàng)建優(yōu)化，可以調(diào)整優(yōu)化算法的詳細(xì)參數(shù)。
─在標(biāo)簽頁(yè)“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(jìn)化算法的高級(jí)設(shè)置
高級(jí)設(shè)置
─雙擊創(chuàng)建優(yōu)化，可以調(diào)整優(yōu)化算法的詳細(xì)參數(shù)。
─在標(biāo)簽頁(yè)“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(biāo)簽頁(yè)“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(jìn)化算法的高級(jí)設(shè)置
高級(jí)設(shè)置
─此外，作為附加選項(xiàng)，可以調(diào)整optiSLang是否自動(dòng)保存。
─默認(rèn)情況下，在計(jì)算每個(gè)設(shè)計(jì)迭代后，項(xiàng)目會(huì)自動(dòng)保存。
─特別是對(duì)于計(jì)算時(shí)間短的設(shè)計(jì)，這會(huì)產(chǎn)生大量開銷并減慢優(yōu)化速度。
─因此，建議將自動(dòng)保存選項(xiàng)設(shè)置為每50或100個(gè)完成的設(shè)計(jì)后保存。
optiSLang –設(shè)計(jì)計(jì)算的并行化
并行化設(shè)置
─一些優(yōu)化算法允許并行計(jì)算設(shè)計(jì)。
─例如，在進(jìn)化算法的情況下，一代的所有成員設(shè)計(jì)的參數(shù)是已知的，因此可以同時(shí)計(jì)算以減少計(jì)算時(shí)間。
─為了允許并行計(jì)算，必須啟用多個(gè)求解器。
─通過(guò)雙擊VirtualLab求解器，可以找到此附加選項(xiàng)。
─建議數(shù)量為CPU的一半到全部真實(shí)核心之間，具體取決于每個(gè)設(shè)計(jì)的計(jì)算并行化。
optiSLang –開始優(yōu)化
運(yùn)行優(yōu)化
─單擊場(chǎng)景（Scenery）中的進(jìn)化算法（Evolutionary Algorithm）窗口。
─點(diǎn)擊運(yùn)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(diǎn)云的形式同時(shí)給出了目標(biāo)值、均勻度對(duì)比和平均效率。
─用戶能夠?yàn)樗膽?yīng)用選擇最合適的設(shè)計(jì)。
─在這個(gè)例子中，選擇了設(shè)計(jì)no.8842，具有~16％的均勻度對(duì)比和~20％的平均效率。
optiSLang –優(yōu)化結(jié)果
優(yōu)化結(jié)果
─每個(gè)設(shè)計(jì)都存儲(chǔ)在子文件夾?Optimization.opdEvolutionary_Algorithm中的optiSLang項(xiàng)目目錄中。
─此目錄中的每個(gè)文件夾（由設(shè)計(jì)編號(hào)命名）包含將設(shè)計(jì)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(jì)，使用Import optiSLang Results功能，選擇相應(yīng)的設(shè)計(jì)文件夾。
─最后，可以在VirtualLab中進(jìn)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(jì)之間的光柵參數(shù)和性能標(biāo)準(zhǔn)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”
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