VirtualLab Fusion中運用optiSLang進行光柵優化
摘要
現代光學系統的優化一般會涉及到大量的參數，例如：優化光柵時不僅需要考慮光柵的幾何參數，還有所需的入射方向。隨著參數數量的大量增加，優化越來越具有挑戰性。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，可以仿真復雜的光學裝置，例如：將一組平面波耦合入光波導。
optiSLang是一種包含各種高級工具的軟件平臺，包括敏感度分析、多元和多學科優化、魯棒性評估、可靠性分析和魯棒設計優化。
兩種軟件平臺的結合使得例如智能光波導耦合等高級光柵結構變為可能。
VirtualLab Fusion – 光學裝置初始化
初始裝置
─ 一般來說，在VirtualLab中定義的光學系統都可以使用optiSLang進行優化。
─ 該例中的光學系統包含了平面波光源和用于周期性介質的波導耦合探測器。
VirtualLab Fusion – 波導耦合探測器
波導耦合探測
─ 波導耦合探測器是一種特殊工具，用以探測某個周期性結構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構。
VirtualLab Fusion – 波導耦合探測器
波導耦合探測
─ 該例中使用了傾斜光柵。
VirtualLab Fusion – 波導耦合探測器
波導耦合探測
─ 該例中使用了傾斜光柵。
VirtualLab Fusion – 波導耦合探測器
波導耦合探測
─ 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與它們的采樣點數定義。
VirtualLab Fusion – 波導耦合
波導耦合探測
─ 可以從探測得到的效率計算平均值和均勻對比度，并在探測器結果標簽頁中給出。
─ 作為結果，探測器可以用于評估在特定角度范圍內的周期性結構。
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，并產生輸入至optiSLang的必要光學裝置文件。
VirtualLab Fusion – 輸出LPD至OPtiSLang
輸出LPD至OPtiSLang
─ 在輸出對話框窗口。
? 可定義參數空間，并包含了參數的變化范圍。
? 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 – 初始化優化
設置求解器系統
─ File→New project…
optiSLang – 初始化優化
設置求解器系統
─ 繼續，拖動求解器（Solver）向導到場景（Scenery）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 – 初始化優化
設置求解器系統
─ 然后會彈出文件對話框，必須打開VirtualLab輸出的system.lpd文件。
optiSLang – 初始化優化
參數化的求解器系統
─ 參數化的求解器系統包含相應的VirtualLab文件和兩個含有參數和結果的XML文件，用于定義優化函數。
─ 請務必保存計劃。
optiSLang – 初始化優化
參數化的求解器系統
─ 運行求解器系統以檢查是否能正常工作并給出預期的結果。
optiSLang – 初始化優化
參數化的求解器系統
─ 運行求解器系統以檢查是否能正常工作并給出預期的結果。
─ 通過雙擊結果（Result）設計標簽頁中的參數化（Parametric）求解器系統窗口，可以檢查參數和結果。
optiSLang –設置優化
參數化的求解器系統
─ optiSLang可以進行多目標函數的光學系統優化。
─ 這可以在參數化（Parametric）求解器系統配置的判據（Criteria）標簽頁中定義。
optiSLang –設置優化
參數化的求解器系統
─ 可以通過拖動均勻化對比度（Uniformity Contrast）到目標最小化（Objective Minimize）判據中定義第一目標函數。
─ 因此優化算法會盡可能地使均勻度對比最小化。
optiSLang –設置優化
參數化的求解器系統
─ 可以通過拖動平均值（Mean）到目標最小化（Objective Maximize）判據中定義第二目標函數。
─ 因此優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化。
optiSLang –設置優化
優化向導
─ 下一步可以通過拖放來使用優化向導。
optiSLang –設置優化
優化向導
─ 第一步，提供了各種系統參數，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 –設置優化
優化向導
─ 第二步，如果在參數化的求解器系統中沒有指定優化條件，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 –設置優化
優化向導
─ 第三步，選擇優化方法。
─ 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 –設置優化
優化向導
─ 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，以便在優化運行期間訪問結果數據。
─ 然后點擊結束。
optiSLang –進化算法的高級設置
高級設置
─ 雙擊創建優化，可以調整優化算法的詳細參數。
optiSLang –進化算法的高級設置
高級設置
─ 雙擊創建優化，可以調整優化算法的詳細參數。
─ 在標簽頁“初始化”、“選擇”、“交叉”和“突變”中授予算法中許多參數的權限。
optiSLang –進化算法的高級設置
高級設置
─ 雙擊創建優化，可以調整優化算法的詳細參數。
─ 在標簽頁“初始化”、“選擇”、“交叉”和“突變”中授予算法中許多參數的權限。
─ 在標簽頁“其他”中，提供了一些預定義的參數，適用于大部分優化。（例如“EA 10000”）
optiSLang –進化算法的高級設置
高級設置
─ 此外，作為附加選項，可以調整optiSLang是否自動保存。
─ 默認情況下，在計算每個設計迭代后，項目會自動保存。
─ 特別是對于計算時間短的設計，這會產生大量開銷并減慢優化速度。
─ 因此，建議將自動保存選項設置為每50或100個完成的設計后保存。
optiSLang –設計計算的并行化
并行化設置
─ 一些優化算法允許并行計算設計。
─ 例如，在進化算法的情況下，一代的所有成員設計的參數是已知的，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。
─ 建議數量為CPU的一半到全部真實核心之間，具體取決于每個設計的計算并行化。
optiSLang –開始優化
運行優化
─ 單擊場景（Scenery）中的進化算法（Evolutionary Algorithm）窗口。
─ 點擊運行按鈕開始優化。
optiSLang –優化結果
優化結果
─ 優化結束后，可以在新窗口中得到結果。
optiSLang –優化結果
優化結果
─ 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。
─ 用戶能夠為他的應用選擇最合適的設計。
─ 在這個例子中，選擇了設計no.8842，具有~16％的均勻度對比和~20％的平均效率。
optiSLang –優化結果
優化結果
─ 每個設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（由設計編號命名）包含將設計再次導入VirtualLab所需的所有文件。
optiSLang –導入優化結果
導入優化結果
─ 要導入感興趣的設計，使用Import optiSLang Results功能，選擇相應的設計文件夾。
─ 最后，可以在VirtualLab中進一步分析導入的LPD。
總結
作為總結，下表給出了初始和優化后的設計之間的光柵參數和性能標準的比較。
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”
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