OptiBPM 光波導設計軟件的案例
光通信設計軟件——OptiBPM 光波導設計軟件
OptiBPM 是一套用于設計復雜光波導的計算機輔助設計軟件，他功能強大、用戶友好，可仿真光器件中光信號的傳導、耦合、開關、分束、復用和解復用，讓您在計算機上創建各種光纖波導設計。
OptiBPM是基于光束傳播法(BPM)，對光通過任何波導介質進行仿真，無論是各向同性還是各向異性介質。使用OptiBPM用戶可以在考察近場分布的同時驗證發散場和波導場。
OptiBPM可以提高工程師的工作效率，減少設計風險，并降低與波導器件設計相關的整體成本。
OptiBPM可以模擬二維（2D）和三維（3D）波導器件中的光傳播。
2D區域是：
· X方向（垂直）-橫向
· Z方向（水平）-傳播方向
3D區域是：
· X方向（垂直）-橫向
· Y方向-深度
· Z方向（水平）-傳播方向
注：模擬器件在橫向尺寸上具有階梯狀的有效折射率分布。
要從真實的3D器件獲取二維器件，要應用有效折射率方法。從3D到2D的縮減包含用一維橫截面替換器件的二維橫截面。用一維有效折射率分布代替實際折射率截面。雖然有效折射率法是一種近似解，但它適用于許多器件。BPM 3D提供了階躍折射率波導設計所需的所有工具。在BPM 3D中，輸入建模數據，這些數據由折射率分布、起始傳播場和一組數值參數組成。折射率分布由項目布局中列出的波導結構提供。起始場可以是波導模式、高斯場、矩形場或用戶自定義場。起始場和其他模擬參數在Global Data對話框中指定，該對話框通過Simulation菜單訪問。
數值模擬
OptiBPM處理環境包含光束傳播方法（BPM）作為其核心元素，以及與BPM算法兼容的模式求解器。BPM基于控制介電質中光傳播的方程的數值解。BPM考慮單色信號，并與求解亥姆霍茲方程有關。
展開 AR衍射光波導設計遇瓶頸，OAS 光學軟件來破局
光源發出的光經準直系統準直然后通過光波導的傳輸準直輸出到眼盒探測器上
圖4.3 追跡完成后眼盒的能量分布
圖4.4 經過成像后的圖案分布
5. 總結
本文講解了通過 OAS 軟件進行 AR 衍射光波導的建模仿真與分析。從軟件中光柵的結構建模、分析，到光波導的結構設計，光柵的尺寸設計，再到準直系統和整體完整的光波導結構設計，最后是對于系統的追跡和分析。OAS 展示了其對于衍射光波導的跨尺度的仿真，軟件追跡過程中對于不同的元件應用相應的追跡算法，以達到整體系統級別的仿真與計算分析。
展開 光波導設計“避坑指南”：90%工程師踩過的坑，OAS光學軟件提前規避
什么是光波導設計 的“坑”？
光波導作為 AR/VR 顯示、光通信、光子集成芯片等領域的核心光學組件，正驅動下一代光電產業的技術革新。但從設計到量產的全流程中，跨尺度物理建模、多物理場耦合、光柵參數優化、雜散光抑制等核心難題，讓大多的光學工程師反復陷入設計陷阱。
當前主流光學軟件在光波導場景下存在顯著功能短板，而行業高速擴張的需求與設計工具的滯后性形成尖銳矛盾。
01/光波導高速擴張與技術瓶頸并存
全球光波導市場進入高速增長期，2025 年市場規模突破120 億美元，年復合增長率超18%；中國市場占比近40%，成為全球核心增長極。核心應用場景包括：
? AR/VR 顯示（主力）：消費級 AR 眼鏡滲透率超25%，衍射光波導因輕薄、高透光率、量產友好，成為主流方案，代表產品包括 HoloLens 2、Magic Leap 2及國產AI眼鏡。
? 光通信與光子集成：硅基光波導用于光開關、分束器、波分復用器，支撐數據中心光互連、800G/1.6T光模塊升級。
? 其他領域：醫療內窺鏡（聚合物光波導）、激光雷達、工業檢測、汽車 HUD，市場需求持續擴容。
盡管產業快速發展，仍存在四大技術瓶頸：
? 光效 - 視場 - 輕薄 “不可能三角”：提升視場角（>60°）則光效驟降，追求超薄則工藝難度飆升。
? 全彩化難題：光柵色散導致 RGB 三色光耦合效率不均，色偏、彩虹效應難以根除。
? 量產良率低：納米級光柵對基底平整度、潔凈度要求極高，大尺寸鏡片良率僅50-70%。
? 成本偏高：高端材料與設備依賴進口，消費級 AR 眼鏡價格仍超2000 元，普及受限。
展開 Rsoft光波導軟件基于七芯光纖波導耦合器模擬
嗨親愛的小伙伴們再次碰面啦，鑒于近期大家主要對于耦合機理及耦合光源的要求比較高，在本期我所講述的model是基于七芯波導構建成波導耦合器的案例，從本案例的講述可以幫助大家對于模式耦合基本理念有一個較為基礎性的學習。那么下面跟隨我的腳步一起去探究一下吧~
全局變量設定（圖1）
在本模塊中，我們基于光波導傳輸的機理，選取的模塊為beamprop模塊，在設定的過程中由于當各個纖芯波導的間距減小的作用則會有光波導耦合的作用，在這里我們等價為雙層波導介質，即設定背景折射率為包層折射率。通過改變纖芯之間的尺寸大小以及纖芯的幾何尺寸大小進而產生模式耦合的作用。基本的設定如上圖1所示，在這里就不進行過多贅述了。詳情可翻看以往案例介紹。
圖2（七芯光纖波導耦合器幾何形狀）
由于光纖耦合器中在光纖直徑相對小，間距相對小的情況下，光能量的耦合作用最佳，所以我們針對于某個較為理想尺寸下的橫截面波導進行延展得以分析，三維結構幾何建模如上圖所示。再設定的過程中我們設定光纖纖芯直徑為4.4微米，纖芯與纖芯之間的橫向距離為d/2,縱向距離為d/2*1.732。
亦或者可以采用陣列的方式來進行操作，進而得到六邊形分布的七芯光波導陣列形式。
圖3 監測模擬配置
由于在監測過程中我們需要對每個纖芯波導進行實時監控，因此在檢測路徑中選取四種不同的檢測路徑，在包層環境背景折射率下以纖芯基本模式LP01模式作為監測光源進行配置，且其尺寸大小與纖芯波導尺寸大小相等。
圖4 激發光源配置
分析結構的激發光場及細節配置如上圖所示，同樣的道理我們設定以中間芯作為激光模式廣場的入射中心，并且以纖芯基模模式光作為入射光源得以進行分析。
展開 
AR光波導：空間漸變光柵設計
在這一工作流程中，設計人員在 Zemax OpticStudio 中構建宏觀光學系統，并在 Lumerical 中構建光柵的微結構。兩款軟件中的仿真可無縫連接。在 Zemax OpticStudio 的光線追跡過程中，如果某條光線打到光柵上，系統會自動調用 Lumerical RCWA 來求解電磁場響應，并返回相應數據。
該工作流程具有以下幾個優勢：
1.復雜的一維/二維光柵建模：借助強大的幾何編輯器，用戶可以輕松構建并仿真任意的一維或二維光柵。
2.快速原型設計：Lumerical 中的參數會暴露給 OpticStudio。在 OpticStudio 中所做的任何修改，都可以自動觸發 Lumerical 針對新的光柵結構計算更新后的數據，并返回新結果，無需進行數據導入和導出。
3.優化能力：用戶可以在 Lumerical 中方便地定義自定義參數化模型，并結合整個系統的性能對光柵形狀進行優化。
4.光柵結構的導入與導出：該工作流程支持以 STEP、STL 和 GDS II 文件格式對光柵幾何結構進行標準導入與導出。
5.空間變化：用戶可以定義光柵參數在光柵不同位置處的變化方式。
1.1 靜態工作流程與動態工作流程
值得一提的是，目前 Lumerical 與 OpticStudio 之間已有兩種數據交換工作流程。其中一種是本文將要介紹的動態工作流程；另一種是以不同方式運行的靜態工作流程。這兩種工作流程在靈活性方面各有特點，并不存在絕對優劣之分。用戶應根據具體的設計案例來選擇使用哪一種工作流程。
2. 系統要求
要使用這一動態工作流程，Zemax OpticStudio 和 Lumerical 必須安裝在同一臺以 Windows 為操作系統的電腦上。
展開 國產光學軟件突破 | 3D可視化衍射光波導仿真
目前，該成果已以相關論文形式發表于國產核心期刊《中國光學》第 18 卷第 4 期，相關光波導模塊已正式嵌入武漢二元科技有限公司的 OAS（Optical Advanced Software）軟件。
（a）投影光機系統布局（b）投影光學系統的MTF（來自原文）
OAS 光學軟件的光波導設計功能非常便捷，該功能將構建更為高效、精準的設計流程，進一步推動光學領域的發展。目前軟件已在光波導設計中展現卓越效能，為科研人員和工程師提供技術保障。
使用1D-1D EPE的光波導布局設計工具
為增強現實和混合現實應用設計光導器件極具挑戰性，由于角譜模式的完全混合，以及系統中大量的自由參數，這使得用“蠻力”方法來優化參數幾乎是不可能的。快速物理光學建模和設計軟件VirtualLab Fusion用Light Guide Toolbox Gold Edition為您提供了幾個系統的設計工具，幫助光學工程師以更可控的方式一步一步地解決設計過程。這些系統的設計工具涵蓋了器件的布局，以及耦合和EPE區域的光柵參數。
在這里，我們關注兩個與布局相關的工具:k-Layout Visualization和Layout Design，適用于具有可分離的1D-1D出瞳擴展和1D周期光柵結構的設備，如Hololens 1。觀看下面的用例，了解更多關于它們令人興奮的潛力!
波導布局設計工具
布局設計工具根據所需的規格允許設計一個定制的“Hololens 1”近似增強或混合現實系統。
K域可視化圖
本用例解釋了k-Layout可視化工具中使用的物理概念，并演示了其用法。
展開 Zemax Lumerical Speos 聯合實現衍射光波導AR系統設計仿真
Lumerical RCWA 或 FDTD 來模擬衍射光柵；
3.Speos 生成光輻射圖和人眼感知仿真結果。
設計流程
用Zemax OpticStuido設計鏡頭系統，并將相應的透鏡數據傳輸到Speos，從Zemax OpticStudio轉移鏡頭CAD模型到Speos有兩種方法：一種是使用Speos-Zemax光學透鏡導入工具，該工具可以通過Ansys store訪問，另一種是將透鏡系統導出為Zemax OpticStudio中的STEP文件，并將其插入到Speos中。
2.在Lumerical中的光柵設計，本例中基于波導的AR系統依靠衍射光柵來控制光束在波導中的傳播。利用RCWA求解器模擬了光柵的周期波長尺度結構，將耦合光柵、出耦合光柵和擴展光柵的衍射屬性保存在JSON數據文件中，該文件充分描述了所有入射角和波長的結構，并且作為表面屬性導入Speos，用以在光線在計算中模擬亞波長結構的屬性，用于Speos系統級研究。
3.將光柵參數文件(JSON)作為面屬性導入Speos，對AR系統亞波長衍射光學元件的特性進行建模。在Speos中，運行了光線追跡光度模擬，探索光線如何與基于波導的AR系統相互作用，并從亮度圖中提取關鍵的人眼感知指標。
展開 【線上研討會】使用 Zemax OpticStudio 設計AR衍射光波導
衍射光波導目前應用于 AR Glass 和 AR HUD 較多，越來越多的工程師們開始針對此課題進行研究，仿真及設計。衍射光波導方案主要有體全息衍射光波導（VHG）和表面浮雕衍射光波導（SRG）兩種方案。
本次研討會主要針對大家關心的 Zemax OpticStudio 在這兩類衍射光波導課題上可提供的解決方案進行介紹，也會涉及大家常問問題的回答。希望通過此次研討會，大家能夠對 Zemax OpticStudio 在衍射光波導課題所做的工作有一個清晰的了解，并在未來的工作中找到其可以選擇的解決方案。
武漢宇熠 聯合 Ansys Zemax
將在 2022年4月6日14點 舉辦一場網絡研討會
期待您的參與
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會議 · 主題
使用 Zemax OpticStudio 設計AR衍射光波導
(Solutions of AR Diffractive Waveguide Design in Zemax OpticStudio)
會議 · 時間
2022年4月6日 下午14:00-15:00
會議 · 講師
Ansys Zemax 高級應用工程師——谷晨風
會議 · 主辦方
武漢宇熠科技 & Ansys Zemax 聯合主辦
會議 · 地點
騰訊會議線上直播
講師介紹：谷晨風
Ansys Zemax 高級應用工程師——谷晨風，畢業于南京理工大學，獲光學碩士。
于2020年年初加入 Zemax ，負責協助用戶評估相關技術問題對應的 Zemax 解決方案可行性并提供對應的最優解決方案建議。
展開 回顧 | 使用 Zemax OpticStudio 設計AR衍射光波導（領取視頻）
2022年4月6日下午，由武漢宇熠與 Ansys Zemax 聯合舉辦的“使用 Zemax OpticStudio 設計AR衍射光波導”線上研討會圓滿結束。
本次研討會的主講老師是來自 Ansys Zemax 的高級應用工程師——谷晨風。老師針對大家關心的 Zemax OpticStudio 在這兩類衍射光波導課題上可提供的解決方案進行了介紹，也對大家常常涉及到的問題進行了解答。
本次研討會讓主講老師與參會人員進行了深入的對話與交流，增進了對會議主題的深刻認識，也對如何使用 Zemax OpticStudio 設計AR衍射光波導有了更深的理解和思考。
以下是谷晨風老師針對小伙伴們提出的問題做出的部分回答！
Q
請問有用 OptiSLang 優化整個光波導系統的案例嗎？
A
這個問題，問的很好，我稍微介紹一下我們目前的一些策略。Ansys 旗下三款主要的光學產品是 Lumerical 負責微納波動光學，Zemax 主要是幾何光學也有涉及到衍射和物理光學等等。另外就是 Speos，它可以承擔后端的非序列追跡任務和環境渲染，人眼響應的系統級仿真。
展開 Zemax Lumerical Speos | 聯合實現衍射光波導AR系統設計仿真
在這個聯合方案中，將介紹一個仿真工作流程來分析單色AR(增強現實)系統的光學性能，用Zemax OpticStudio設計的光學透鏡系統和用 Lumerical設計光柵結構，到Speos進行系統級分析。
概覽
增強現實(AR)是一種將屏幕上的虛擬世界與現實場景相結合的技術，使用Ansys的完整光學解決方案來設計和分析瞳孔擴展器EPE衍射光柵構成的AR系統，將Zemax OpticStudio的光學透鏡系統信息和Lumerical的光柵信息導入到Speos中，對這些系統進行系統級性能分析，使用Speos在3D環境中模擬整個AR光學系統時，這個互操作性工作流捕獲了光柵微結構和透鏡的宏觀結構之間的相互作用，并且可以在照明場景中準確感知視覺效果。
這個解決方案需要三個主要工具：
1. Zemax OpticStudio 設計投影透鏡，并將CAD模型導出到Speos；
2. Lumerical RCWA 或 FDTD 來模擬衍射光柵；
3.Speos 生成光輻射圖和人眼感知仿真結果。
設計流程
1.用Zemax OpticStuido設計鏡頭系統，并將相應的透鏡數據傳輸到Speos，從Zemax OpticStudio轉移鏡頭CAD模型到Speos有兩種方法：一種是使用Speos-Zemax光學透鏡導入工具，該工具可以通過Ansys store訪問，另一種是將透鏡系統導出為Zemax OpticStudio中的STEP文件，并將其插入到Speos中。
2.在Lumerical中的光柵設計，本例中基于波導的AR系統依靠衍射光柵來控制光束在波導中的傳播。
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使用1D-1D EPE的光波導布局設計工具
為增強現實和混合現實應用設計光導器件極具挑戰性，由于角譜模式的完全混合，以及系統中大量的自由參數，這使得用“蠻力”方法來優化參數幾乎是不可能的。快速物理光學建模和設計軟件VirtualLab Fusion用Light Guide Toolbox Gold Edition為您提供了幾個系統的設計工具，幫助光學工程師以更可控的方式一步一步地解決設計過程。這些系統的設計工具涵蓋了器件的布局，以及耦合和EPE區域的光柵參數。
在這里，我們關注兩個與布局相關的工具:k-Layout Visualization和Layout Design，適用于具有可分離的1D-1D出瞳擴展和1D周期光柵結構的設備，如Hololens 1。觀看下面的用例，了解更多關于它們令人興奮的潛力!
波導布局設計工具
布局設計工具根據所需的規格允許設計一個定制的“Hololens 1”近似增強或混合現實系統。
K域可視化圖
本用例解釋了k-Layout可視化工具中使用的物理概念，并演示了其用法。
展開 ZEMAX軟件技術應用專題：模擬 AR 系統中的全息光波導：第二部分
為了得到點 F 的位置，我們需要使用虛擬曲面 14：
一旦所有這些限制都設置完畢，優化系統將實現一個物理上可行的設計。您會發現這個系統的性能受到像散的限制，這個問題可以通過用光學構造全息圖替換全息圖 2 來解決。
Ansys Zemax國內可靠代理商
光研科技南京有限公司是國內可靠的光學軟件和儀器光電供應商，提供企業定制化上門培訓服務，承接各類光學設計項目，并有一系列自主編寫出版的光學設計書籍。公司擁有一支高素質、高水平、實戰經驗豐富的管理，銷售以及研發團隊，從成立到現在已經為廣大企業，研究所以及高校提供了很多優秀的產品和服務，是光電圈內值得信賴的企業。追光逐夢，研以致用！以用戶的需求為起點，為客戶提供有價值的光學產品和服務一直都是光研科技南京有限公司的宗旨。
AnsysZemax光學軟件咨詢與訂購聯系方式
聯系人：南京光研 徐保平
手機號：15051861513
微信號：13627124798
您也可以掃一掃下面的二維碼直接咨詢
展開 AR/VR衍射光波導性能提升遇阻？OAS光學軟件有方法
衍射波導準直系統設計案例
簡介
在現代光學顯示技術中，衍射光波導系統因其獨特的光學性能和緊湊的結構設計，在增強現實（AR）、虛擬現實（VR）等領域展現出巨大的應用潛力。本案例聚焦于衍射波導準直系統，旨在通過 OAS 光學軟件深入探究其光學性能，為系統的優化設計提供有力依據。
OAS 軟件在案例中的應用
光波導設計
利用OAS的布局設置，更改光波導的需求參數，OAS可以直接生成相應初始光波導結構，包含光源、耦入光柵、耦出光柵、轉向光柵、眼盒等。設置好入射光的波長，光線尺寸等光線信息，光源到光波導的距離、視場、入射光介質、眼盒的尺寸、光波導材料，耦入耦出光柵的方向周期等等一系列參數，能夠通過內部算法計算得出。后續還有K空間可視化、光柵足跡分析、結果查看、PSF/MTF分析等。
光線追跡分析
利用 OAS 光學軟件對該衍射光波導系統進行光線追跡模擬。如圖所示，在完成光線追跡后，清晰展示了光線在整個系統中的傳播軌跡，包括從光源發出，經過一系列光學組件，最終進入衍射光波導部分的全過程。這一過程幫助研究人員準確把握光線走向，為后續分析奠定基礎。
像面輻照度分布分析
OAS 軟件進一步對像面的輻照度分布進行分析，結果以對數（lg）形式呈現于圖中。輻照度分布反映了像面上不同位置接收到的光能量密度。通過對像面輻照度分布的分析，能夠清晰了解系統成像的均勻性以及能量分布情況。
案例結果分析
雜散光現象
在輻照度圖上，可觀察到存在少量雜散光。雜散光的出現會降低系統成像的對比度和清晰度，對系統的性能產生不利影響。因此，準確識別雜散光來源并加以解決是優化光學系統的重要環節。
雜散光來源剖析
經深入分析，這些雜散光主要來源于透鏡準直系統。
展開 光通信設計軟件——OptiSystem 光通信系統與放大器設計軟件
OptiSystem是一款具有創新意識、持續更新、功能強大的光通信設計軟件，對LAN, SAN, MAN以及超長距光通信等光傳輸層的幾乎每一種光鏈路都能夠進行設計、測試和仿真。它提供傳輸層光通信系統中從器件到系統層面的設計和規劃，并直觀地呈現分析結果和設計方案。與Optiwave公司的其他設計自動化軟件的協同使用將更加有利于加速產品投向市場并縮短投資回報周期。
OptiSystem是一個獨立的產品，不依賴于其他仿真框架。它是基于光纖通信系統實際建模的系統級仿真軟件。它擁有強大的仿真環境以及元件和系統的分層定義。通過添加用戶組件，可以輕松擴展其功能，并且可以無縫連接到各種工具。
產品優勢：
? 提供對整個光通信系統性能的全局考察
? 快速，低成本的原型設計
? 評估參數靈敏度以設計容差規格
? 直觀地呈現設計選項和方案
? 對各種系統性能數據的快捷訪問
? 提供自動參數掃描與優化
? 和Optiwave系列產品的協同仿真
關鍵功能：
元件庫
OptiSystem元件庫里有數百種元件，用戶可以輸入從實際元件中測得的技術參數。元件庫集成了來自不同供應商的測試與測量設備。用戶可以基于子系統和用戶自定義庫加入新的的元件，或者利用諸如MATLAB或SPICE等第三方軟件與其協同仿真。
和Optiwave其他軟件的集成
OptiSystem允許用戶使用Optiwave軟件工具（OptiSPICE，OptiBPM，OptiGrating和OptiFiber）來構建在器件層面和電子回路層面的元件。
混合信號表征
OptiSystem在仿真時可同時處理光信號和電信號。OptiSystem采用與所需的仿真精度和效率有關的靈活算法對信號進行計算。
品質和性能算法
光通信系統的性能通常會受到碼間串擾和噪聲的限制。
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