ansys波導仿真的案例
Ansys Lumerical | 鈮酸鋰熱調制波導仿真
溫度相關的調制斜率
二次諧波轉換效率定義如下：
其中，P1和P2分別代表基模和二次諧波的功率，L是波導的長度，生成效率具有 Sinc 函數相關性，其他參數定義如下：
為了計算方便，我們上述部分參數直接取自參考文獻[1]，通過Python計算可得到如下圖的二次諧波生成效率。
參考文獻：
[1] R. Luo, Y. He, H. Liang, M. Li, and Q. Lin, "Highly tunable efficient second-harmonic generation in a lithium niobate nanophotonic waveguide," Optica 5, 1006(2018). https://doi.org/10.1364/OPTICA.5.001006
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展開 Ansys speos 案例 | 集成 Zemax與Lumerical 的光波導AR-HUD仿真方案
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利用RSoft的BPM算法對光波導和簡單光波導器件進行仿真 ￥15
RSoft是一款非常實用的光波導仿真軟件。其中包含了BPM,FDTD,FEM等多種算法，使得它能夠適用于各種不同要求場合。本課程主要使用RSoft算法集中的BPM算法對光波導和簡單光波導器件進行仿真計算，從而對光在波導中的傳輸有一定得了解。
一、軟件CAD界面：
下載網站上的壓縮包，解壓縮后運行C:\Program Files\RSoft\bin文件夾中的bcadw32.exe，即出現如下圖所示的CAD界面。此界面是定義波導結構和下一步計算的前提。
二、單根波導的仿真：
在軟件中，點擊左上角的”New Circuit”按鈕，如圖所示。
點擊后彈出基本設置對話框，波導的一些基本特性參數需要在此設定。我們模擬目前光通信系統中應用最為廣泛的掩埋型二氧化硅波導（channel型）。波導橫截面的尺寸結構為6um*6um，芯層折射率為1.465，包層折射率為1.455（包層和芯層的折射率差為0.01），通信波長為1.55um。基本參數的設定如下圖所示（注意，軟件中關于長度的單位均為um）：
設置完畢后點擊”OK”，進入CAD界面。
首先畫一根直波導。點擊”Segment mode” （新建文件時默認就是此模式），如上圖紅圈所示。之后在空白的CAD窗口中某一處單擊鼠標左鍵，在任意另一處再單擊左鍵，即可畫出一條波導，如下圖所示。
到目前為止，畫出的波導是任意的，我們還需要對它進行設置，滿足我們設計的要求。將鼠標移動至波導上（紅色區域上），再單擊鼠標右鍵，會彈出波導的設置菜單。由于我們只需要仿真普通的直波導，所以大部分設置保持默認即可。主要需要調整波導的位置。在RSoft軟件中，波導位置是由首尾兩個坐標確定的，并且BPM計算的光是只沿著z軸傳播（即豎直方向），這個是需要特別注意的。
展開 [NEWSLETTER] 光波導仿真的新功能
我們想強調特別是光波導工具箱的新功能——我們為增強和混合現實（AR & MR）應用感興趣的人提供的首選工具，比如近眼顯示的設計和分析。隨著新版本的發布，用戶可以訪問一個徹底更新的均勻性探測器，它現在包括用于計算均勻性的圖形表示，以便更方便地使用。此外，我們還增加了一個全新的探測器附加組件，旨在與探測器共享來自光波導的信息。在它的幫助下，用戶現在可以檢測到光波導內的電場，并看到疊加在結果上的光柵區域。欲了解更多信息，請查看下面的文件。
光波導系統的均勻性探測器
對于AR/MR器件領域的光導系統的性能評價，眼盒內光分布的橫向均勻性是最重要的參數之一。這個用例展示了如何在VirtualLab Fusion中使用均勻性檢測器。
在光波導結果中可視化光柵區域
在這個用例中，我們演示了一個通用探測器的探測器附加組件，它將光波導光柵區域的可視化的光疊加在場數據之上。
展開 
AR&MR光波導器件的仿真研究
AR&MR光波導器件的仿真研究
使用光波導元件對“HoloLens 1”型進行建模
本使用案例演示了一個簡單的“HoloLens- 1”型布局設備的建模，該設備具有一個能夠以32°×18°視場引導光線的光波導組件。
光波導結構
使用光波導組件及其靈活的區域定義，可以在VirtualLab Fusion中設置帶有耦合光柵的光波導。
隨著增強現實和混合現實(AR&MR)領域新技術的出現，使光學光波導越來越受歡迎。為了對此類結構進行建模和設計，VirtualLab Fusion使用其強大的光波導工具箱，該工具箱允許靈活定義整體結構以及內外耦合器的不同區域。再加上它的非順序模擬引擎，結合了所有關鍵的物理效應，如偏振、孔徑衍射和相干性，為光學工程師提供了強大的工具，支持他們研究和設計用于AR和MR的光波導裝置。
展開 VirtualLab：AR&MR光波導器件的仿真研究
隨著增強現實和混合現實(AR&MR)領域新技術的出現，使光學光波導越來越受歡迎。為了對此類結構進行建模和設計，VirtualLab Fusion使用其強大的光波導工具箱，該工具箱允許靈活定義整體結構以及內外耦合器的不同區域。再加上它的非順序模擬引擎，結合了所有關鍵的物理效應，如偏振、孔徑衍射和相干性，為光學工程師提供了強大的工具，支持他們研究和設計用于AR和MR的光波導裝置。
使用光波導元件對“HoloLens 1”型進行建模
本使用案例演示了一個簡單的“HoloLens- 1”型布局設備的建模，該設備具有一個能夠以32°×18°視場引導光線的光波導組件。
光波導結構
使用光波導組件及其靈活的區域定義，可以在VirtualLab Fusion中設置帶有耦合光柵的光波導。
展開 AR&MR光波導器件的仿真研究
隨著增強現實和混合現實(AR&MR)領域新技術的出現，使光學光波導越來越受歡迎。為了對此類結構進行建模和設計，VirtualLab Fusion使用其強大的光波導工具箱，該工具箱允許靈活定義整體結構以及內外耦合器的不同區域。再加上它的非順序模擬引擎，結合了所有關鍵的物理效應，如偏振、孔徑衍射和相干性，為光學工程師提供了強大的工具，支持他們研究和設計用于AR和MR的光波導裝置。
使用光波導元件對“HoloLens 1”型進行建模
本使用案例演示了一個簡單的“HoloLens- 1”型布局設備的建模，該設備具有一個能夠以32°×18°視場引導光線的光波導組件。
光波導結構
使用光波導組件及其靈活的區域定義，可以在VirtualLab Fusion中設置帶有耦合光柵的光波導。
展開 仿真APP在波導轉換器設計中的應用
二、仿真APP解決方案
本方案以微帶-共面波導轉換器為例，介紹波導轉換器件的分析過程和仿真APP制作方法，并基于仿真APP完成器件的尺寸設計。
1、仿真流程搭建
1）參數化建模。建立波導模型，將其關鍵設計尺寸參數化。
圖 4 波導轉換器
2）材料參數設定。為金屬和介質層定義電磁屬性。
圖 5 材料參數設定
3）網格劃分。采用四面體網格，波導連接處進行網格加密。
圖 6 網格劃分
4）邊界條件和激勵端口添加。空氣域設為無限大空間，在微帶線和共面波導兩端添加端口激勵。
圖 7 邊界和端口激勵
5）輸出變量設置。通過場監視器選項，添加想要分析的場量，本APP設置了電場強度為輸出變量。
圖 8 場監視器定義
6）求解設置。設置掃頻模式、求解頻率范圍和求解步長。
圖 9 求解設置
7）計算結果。分別查看S參數曲線和不同頻率下的電場云圖。
圖 10 -1 S參數曲線
圖 10-2 結果云圖
2、仿真APP封裝
基于Simdroid平臺提供的仿真APP開發環境，通過選擇和鼠標拖拽的方式搭建器件分析APP界面，將波導轉換器的分析過程進行封裝，開發具有尺寸設計、分析求解、結果查看完整過程的一體化仿真APP，如下圖所示。
圖 11 仿真APP開發環境
3、基于仿真APP的結構設計
下面基于波導轉換器件分析APP，計算不同波導端口間的信號傳輸情況，并以此調整尺寸，優化結構設計。
對于上述微帶線和共面波導，電磁波的傳播模式并不一致，且特性阻抗分別為50Ω和70Ω，阻抗失配，無法有效傳輸信號，通過APP中的參數控制進行迭代優化可以解決該問題。通過參數優化可以得到以下結果，從S參數計算結果可以看出，在求解的頻率范圍內，波導端口間已實現高效的信號傳輸。
展開 國產光學軟件突破 | 3D可視化衍射光波導仿真
原文信息
原文標題：“基于光線場追跡的國產3D可視化衍射光波導仿真模塊研究”
第一作者：覃嘉佳
通訊作者：宋強，劉祥彪, 張善文，段輝高，周常河
增強現實（AR）技術作為新興人機交互模式，其近眼顯示領域中，AR 衍射光波導技術因輕量化、小型化等優勢成為核心發展方向。高品質衍射光波導的設計優化離不開專業仿真軟件。為填補國內空白，本研究團隊研發了完全自主可控的 3D 可視化衍射光波導仿真模塊，覆蓋 k 域分析、光波導仿真與優化全過程，可納入微投影光機和人眼模型實現全維度仿真。
研究基于該模塊設計二維出瞳擴展衍射光波導，通過確定光柵矢量、劃分功能區域并精細調控光柵參數，結合光線場追跡完成仿真，并與國外商業軟件結果對比，驗證了模塊的有效性與實用性，為我國 AR 產業自主發展提供技術支撐。
二維出瞳擴展衍射光波導中的光線傳播示意圖（來自原文）
該模塊成功設計出具備二維出瞳擴展的衍射光波導，整體系統由微型投影光機、光波導與人眼模型構成，結構設計極具優勢。其投影光學系統焦距 14.5 mm，對角線視場角 28°，總長度僅 9.45 mm，光學元件直徑小于 5.4 mm，憑借緊湊小巧的特性，完美適配近眼顯示設備的輕量化需求。在性能表現上，該系統在 30 cycles/mm 采樣頻率下的光學調制傳遞函數（MTF）值均優于 0.7，成像質量穩定可靠。
可視化3D衍射光波導模組示意圖（來自原文）
為驗證模塊性能，研發團隊與市面主流商業軟件，在衍射效率、均勻性及光線路徑等關鍵指標上展開對比，結果充分證明了該國產模塊的精度與可靠性。
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 Ansys Zemax | 模擬 AR 系統中的全息光波導：第二部分
AR 系統通常使用全息圖將光耦合到波導中。本文展示了如何繼續改進 本系列文章的第一部分 （點擊查看）中建模的初步設計。（聯系我們獲取文章附件）
簡介
AR 是一種允許屏幕上的虛擬世界與現實場景結合并交互的技術。
本文演示了如何繼續改進在文章模擬 AR 系統中的全息光波導：第一部分中的系統。
優化系統
從第一部分文章的優化得到的最后系統開始優化，我們需要進一步提高其光學性能。首先，讓我們收緊規格參數:
設置入瞳直徑 = 4 mm
放大 FOV 到 +/- 8度
使波導薄于6 mm，如下所示
這時，你會發現當我們試圖收緊設計參數時，設計將會變得不切實際。為了解決這個問題，我們需要限制設計參數，以確保光線遵循滿足物理意義的路徑。我們將使用評價函數中的相關操作數強制執行以下 3 個條件：
1.當光線應該在波導內部時，它們不能在波導外部傳播
2.光線不能到達全息面的后方
3.光線必須從波導管的頂部射出而不撞擊側面
為了便于優化，我們首先在表面 13（設置材料為 PMMA）之后添加一個虛擬面。這個曲面將被用作一個參考曲面，以確保系統的幾何形狀是正確的。接下來，在表面 17 的波導出口之后添加一個坐標間斷面，然后將現有的表面厚度剪切并粘貼到新的坐標間斷面厚度，這個新表面將用于傾斜像面。
為了更清晰地觀察系統視圖，對表面 14 的表面屬性 (Surface Properties) …繪圖 (Draw ) 做如下更改:
與此同時，為了實現我們的目標，我們可以在設計中加入更多的變量，讓設計更加自由。
展開 
[VirtualLab] 基于分布式計算的AR光波導中測試圖像的仿真
采用分布式計算方法進行仿真
客戶端數量：41臺（在5臺不同的計算機上）。
模擬時間（10201次模擬）：4小時10分鐘。
模擬結果：不同視場角的輻射通量。
模擬時間比較
→分布式計算減少了91%的模擬時間！*
*注意：由于基本模擬只需要幾秒鐘，模擬時間的減少會受到網絡開銷的限制。
Ansys Zemax | 模擬 AR 系統中的全息光波導：第一部分
AR系統通常使用全息圖將光耦合到波導中，從而將光從顯示引擎傳輸到佩戴者的眼睛。本文演示了如何在 OpticStudio 中使用全息圖表面作為平面波導結構內的耦合器。(聯系我們獲取文章附件)
推薦閱讀第二部分：ZEMAX | 模擬 AR 系統中的全息光波導：第二部分
簡介
增強現實 (AR) 是一種將在屏幕上的虛擬世界與現實世界的場景結合并交互的技術。本文演示了如何利用全息技術在序列模式下建立一個用于增強現實的光學系統。
增強現實系統和全息圖
全息圖是記錄在高分辨率感光乳劑上的干涉圖案。全息系統的使用中存在兩個不同的階段：構造階段和重構階段，分別適用于全息圖的構建和作為光學元件的使用。有關該主題的詳細內容，請參考文章：“如何在OpticStudio中建模全息圖”。
在普通的AR系統中，光通過全息圖耦合到波導中，從而將相關信息從顯示器傳輸到眼睛。波導的優點是它很大程度上是透明的，不會阻擋來自現實世界的光。在這篇文章中，我們將指導您使用嵌入PMMA材料的反射全息圖來建模一個簡單的AR設計。
規格和設計策略
我們將從一個簡單的設計開始，然后進一步完善系統。初始規格是：
出瞳距離= 15mm
瞳孔直徑= 3mm
FOV = 10度
波導厚度= 10mm
光線將通過全息圖耦合到波導中。全息圖將被嵌入到PMMA材料中且出口面將會傾斜45度。根據程序的實際工作方式，系統會被“反向”建模。現實中（物理系統中），AR系統的光源是微顯示器，而成像平面將是人眼的視網膜（AR系統的出瞳和人眼系統的入瞳將被放置在同一位置）。但為了在OpticStudio中準確建模且有效優化系統，物理系統的出瞳被定義為在OpticStudio中建模系統的入瞳，而微顯示器被視為系統的“像平面”。
展開 OptiFDTD應用：用于光纖入波導耦合的硅納米錐仿真
?光源在時域中設置為CW（ = 1.55 um），在空間域上設置為高斯橫向分布，并且位于二氧化硅波導的硅紙尖端。
注意：模擬時間應足夠長，以確保穩態結果
仿真結果
頂視圖展示了錐形硅波導的有效耦合。
底部視圖顯示了不同位置的模式轉換（左：25 um，中間：65 um，右：103 um）
ZEMAX | 如何將仿真波導模式數據導入 OpticStudio
更加精確的數據可使 OpticStudio物理光學功能大大提高光纖及波導耦合器的設計精度。本文給出了幾個示例。( OptiWave 的 Steve Dods 提供了本文中使用的 SMF-28 光纖模擬數據。聯系我們下載附件。）
簡介
OpticStudio 能夠導入 OptiWave 公司旗下 OptiBPM 和 OptiFiber 中代碼計算的模場。
這些代碼是專門集成的光學代碼，能夠為集成在基底上的光纖或波導（包括溝道波導、肋形波導或脊形波導等）生成場分布。由這些特殊代碼計算的場能通過 OpticStudio 模擬在光學系統中傳播后的變化。OptiBPM 和 OptiFiber 都可以讀取 OpticStudio 生成的 ZBF 文件，這樣一來物理光學傳播功能在光學系統中傳播后生成的數據就可以做為任意一個波導模型的輸入導入軟件。
在本文中，我們將比較 SMF-28 光纖的 OptiBPM 模擬結果與制造商給出數據。
導入 OptiBPM 的場分布數據
OptiBPM和 OptiFiber 共享 OptiWave 公司專有的文件格式 (*.f3d)。OpticStudio 可以通過以下方式讀取該數據：文件 (File) ...轉換文件格式 (Convert) ... 轉換 OptiWave F3d 數據為 ZBF 格式 (OptiWave F3d To OpticStudio ZBF)。
詳細信息在幫助文件中有具體描述，但請注意以下幾點：
ZBF 文件的 x 和 y 像素數量必須是 2 的冪級數而 .F3D 文件沒有此限制。因此，OpticStudio 將對 .F3D 文件中的數據用零值進行填充，使其等于最接近的 2 的冪。
.f3d文件不包含數據的波長，因此必須單獨輸入。
.f3d 文件中的電場相位數據將被引用到一個局部平面。
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