摘要

 

復雜光學光柵結構被廣泛用于多種應用，如光譜儀、近眼顯示系統等。利用傅里葉模態法(FMM，或稱RCWA) VirtualLab Fusion 提供了一種用于任意光柵結構嚴格分析的簡單方法。利用圖形用戶界面，用戶可以設置堆棧的幾何形狀，從而產生復雜的光柵結構。本案例主要集中于具有二維周期光柵結構的配置。

1. 本案例主要說明：

? 如何在光柵工具箱中配置二維光柵結構，通過：

- 基于介質的定義類型

- 基于表面的定義類型

? 計算前如何改變高級選型并檢查定義的結構。

? 注意：在VirtualLab中，具有二維周期性的光柵結構稱作3D光柵。因此，層狀光柵(一維光柵)被稱為2D光柵。

 

2. 光柵工具箱初始化

? 初始化

- 開始→

光柵→

一般光柵光路圖(3D光柵)

? 注意：對于特殊類型的光柵，如柱狀光柵，可以直接選擇特定的光路圖。

 

3. 光柵結構配置

? 首先，必須先定義基底的厚度與材料

? 在VirtualLab中，光柵結構有一個所謂的堆棧進行定義

? 堆棧可以附屬在基底的一側或兩側。

? 例如，堆棧選擇附屬在第一表面。

基于介質的定義類型

(例如：柱狀光柵)

1. 堆棧編輯器

? 在堆棧編輯器中，可以從庫中增加和插入界面和介質。

? 為了以特殊材料定義光柵，必須添加兩個平面界面作為邊界。

 

? 兩個平面界面間的介質可以使均勻的，也可以是調制的。

? 通過使用后者，可以非常有效地描述復雜的光柵結構，如柱狀光柵。、

 

2. 柱狀光柵介質

? 在庫目錄“LightTrans Defined”中，在柱狀介質庫中可以找到鉻柱。

? 這種類型的介質可以模擬柱狀結構以及襯底上的銷孔。

? 在本例中，由鉻組成的矩形柱位于熔融石英基底上

? 在堆棧編輯器的視圖中，不同的材料根據折射率(深色意味著更高)用其他顏色表示。

? 注意:堆棧編輯器總是提供x-z平面的橫斷面視圖。

? 請注意:界面的順序總是從基板的表面開始計算。

? 選中的界面以紅色高亮顯示。

? 此外，這里不能定義光柵前面的介質（后一個界面后面）。它是自動從光柵元件前面的材料中取出的。

可以在光學設置編輯器中更改此材料。

 

? 堆棧周期允許控制整個配置的周期。

? 對于具有二維周期性的光柵，周期必須在x和y方向上定義。

? 該周期也用于FMM算法的周期性邊界條件。對于簡單的光柵結構，建議從介質周期中選擇“相關的”（Dependent）選項，并選擇適當的周期介質指數。

3. 柱狀光柵介質參數

通過以下參數定義柱狀光柵：

? 基材(凹槽的介質)

? 柱狀材料(脊的材料)

? 柱的形狀(矩形或橢圓形)

? x方向(水平方向)柱距

? y方向(垂直方向)柱距

? 行移(允許行位移)

? 光柵周期在x和y方向

? 根據柱柵的尺寸和距離自動計算柱柵的周期。

? 因此，它不能單獨設置，框顯示為灰色。

 

4. 高級選項&信息

? 在傳播菜單中有幾個高級選項可用。

? propagation method選項卡允許編輯FMM算法的精度設置。

? 可以設置每個方向上考慮的總階數或倏逝波階數。

? 這可能是有用的，尤其是如果考慮金屬光柵。

? 相反，對于電介質光柵，默認設置就足夠了。

? Advanced Settings選項卡提供關于結構分解的信息。

? 層分解和過渡點分解設置可用于調整結構的離散性。默認設置適用于幾乎所有光柵結構。

? 此外，還提供了關于層數和轉換點的信息。

? 分解預覽按鈕提供了用于FMM計算的結構數據的描述。折射率用色標表示。

? 定義的柱柵分解預覽(俯視圖)。

? ?VirtualLab建議將其離散化為2層(1層表示基底)。

 

基于界面的定義類型

(例如：截錐光柵)

1. 堆棧編輯器

2. 截錐光柵

? 在本例中，使用了“截錐光柵界面”。

? 這種類型的界面可以模擬圓形的高透射結構。

? 在本例中，錐體是由位于同一材料基體上的熔融二氧化硅制成的。

? 在堆棧編輯器的視圖中，不同的材料根據折射率(深色意味著更高)用其他顏色表示。

? 注意:堆棧編輯器總是提供x-z平面的橫斷面視圖。

? 請注意:界面的順序總是從基底的表面開始計算。

? 選中的界面以紅色高亮顯示。

? 此外，這里不能定義光柵前面的介質（后一個界面后面）。它是自動從光柵元件前面的材料中取出的。

? 這種材料可以在光學設置編輯器中更改。

? 此外，錐體的材料會自動從界面之后的材料中取出。

? 在本例中，這意味著使用基底(基塊)的材料。

? 如果光柵結構是由不同的材料制成的，則必須添加額外的平面界面，以便將光柵結構與底座分離。

? 然后根據需要選擇截錐與平面界面之間的材料。

? 堆棧周期允許控制整個配置的周期。

? 對于具有二維周期性的光柵，周期必須在x和y方向上定義。

?

該周期也用于FMM算法的周期性邊界條件。

? 對于簡單的光柵結構，建議從介質周期中選擇“相關的”（Dependent）選項，并選擇適當的周期介質指數。

3. 截錐光柵參數

柱柵是一個可編程接口，由以下參數定義:

? 錐高度

? 高度因子(例如允許反轉結構)

? 頂部直徑

? 底部(基底)直徑

? 光柵周期在x和y方向

? 材料自動設定

  

? 由于這是一個通用的可編程界面，光柵周期必須在周期選項卡中設置。

? 這也意味著光柵的定義及其參數可以通過調整定義結構的代碼很容易地進行調整。

4. 高級選項&信息

? 在傳播菜單中有幾個高級選項可用。

? propagation method選項卡允許編輯FMM算法的精度設置。

? 可以設置每個方向上考慮的總階數或倏逝波階數。

? 這可能是有用的，尤其是如果考慮金屬光柵。

? 相反，對于電介質光柵，默認設置就足夠了。

? Advanced Settings選項卡提供關于結構分解的信息。

? 層分解和過渡點分解設置可用于調整結構的離散性。默認設置適用于幾乎所有光柵結構。

? 此外，還提供了關于層數和轉換點的信息。

? 分解預覽按鈕提供了用于FMM計算的結構數據的描述。折射率用色標表示。

 

5. 關于探測器位置的注釋

? 在VirtualLab中，探測器默認位于基底后面的空氣中。

? 如果光柵包含在復雜的光學設置中，這是必要的。

? 然而，完美的平面和平行的基底可能會產生一些干擾效果，而在現實中不會發生。

? 因此，為了計算光柵效率，將檢測器設置在基底材料內部是合適的(大多數光柵評估軟件也是如此)。

? 這避免了那些干擾效果的不良影響。

6. 文件信息

 

 

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