分束器的案例
[Optiwave] OptiFDTD應用：偏振分束器
1、偏振分束器
基于絕緣體上硅（SOI）平臺，利用定向耦合器可實現緊湊且高效的偏振分束器（PBS）。本文對一種集成亞波長光柵（SWG）波導與槽型波導的偏振分束器進行了仿真[1]。該設計借助亞波長光柵波導和槽型波導的獨特特性，在小尺寸范圍內實現基于偏振的光束分離。偏振分束器的直通路徑采用亞波長光柵波導，交叉路徑采用槽型波導。亞波長光柵波導由周期性亞波長結構構成，其有效折射率可實現精細調控。在本設計中，亞波長光柵波導作為橫電（TE）偏振光的直通波導，使其傳播時與槽型波導的耦合程度極低；同時，它支持橫磁（TM）偏振光寬頻耦合至槽型波導。此外，亞波長光柵波導中的錐形過渡結構可最大限度減少其與條形波導界面處的反射，保證高效耦合。槽型波導由兩個間距緊密的硅側壁及狹窄的二氧化硅間隙組成，這種結構使 TE 偏振的電場被強烈限制在低折射率的間隙內，而 TM 偏振在槽型波導中的場分布則與條形波導相似。亞波長光柵的尺寸經過定制，僅使 TM 偏振實現條形波導（直通路徑）與槽型波導（交叉路徑）之間的模式匹配，從而實現從直通路徑到交叉路徑的高效耦合，完成偏振選擇性的能量傳輸。
2、仿真
偏振分束器的仿真采用三維時域有限差分法（OptiFDTD），工作波長為 1550nm。在三維 OptiFDTD 中，通過有限元法（FEM）求解器進行精確的模式分析，以獲取光源注入的光模式分布（有限元法通用求解器的設置詳見表 1）。偏振分束器的三維模型分為三個部分：輸入區、耦合區和分離區，所有區域均位于 SOI 平臺上（結構的幾何參數詳情見圖 1、圖 2 及表 2）。
展開 用于點陣投影儀的非近軸分束器
為了實現所需的高點數，這些設備通常會結合高度發散的光源板與分束器。
在這些系統的模擬中，在精度和速度之間取得合適的平衡是相當具有挑戰性的：一方面，分束器的小結構需要應用嚴格的方法，而計算量往往很大。另一方面，模擬應該足夠快捷，能夠在內存使用和時間的合理范圍內產生結果。此外，該系統通常不僅包括點陣投影儀，而且如果不是其他的附加的光學元件如透鏡下，至少還包括在自由空間中傳播。
由光學建模和設計軟件VirtualLab Fusion提供的在單一平臺上的建模技術的非常自由的交互性的方法剛好適用上述情況。它允許應用嚴格的傅里葉模態方法/嚴格的耦合波分析（FMM/RCWA），以必要的精度建立非近軸分束器的模型，同時通過結合其他技術避免計算過度，這些技術可以更快分析系統中其他潛在元件，包括是否在自由空間傳播、通過鏡頭還是兩者兼而有之。所有這些都是在一個具有一致性光源模型的單一軟件平臺上進行的，這意味著從一種建模技術到另一種建模技術不會丟失重要信息，也避免了不同軟件包之間任何繁瑣的來回操作。
在本周的時事通訊中，我們展示了這樣一個點陣投影儀系統，提供了對該設備的工作原理的分析和涵蓋其設計的文檔。
一個點陣投影儀的功能原理的演示
本用例展示了點陣投影儀的工作原理，包括在衍射分束器的理想設計和真實設計之間的比較。
非近軸結構的設計與嚴格分析
衍射分束器
采用傅里葉模態法（FMM）對非近軸衍射分束器進行了嚴格的分析，該方法最初采用迭代傅里葉變換算法（IFTA）和薄元近似算法（TEA）進行設計。
展開 OptiFDTD應用：偏振分束器
偏振分束器的仿真采用三維時域有限差分法（OptiFDTD），工作波長為 1550nm。在三維 OptiFDTD 中，通過有限元法（FEM）求解器進行精確的模式分析，以獲取光源注入的光模式分布（有限元法通用求解器的設置詳見表 1）。偏振分束器的三維模型分為三個部分：輸入區、耦合區和分離區，所有區域均位于 SOI 平臺上（結構的幾何參數詳情見圖 1、圖 2 及表 2）。
2、仿真
基于絕緣體上硅（SOI）平臺，利用定向耦合器可實現緊湊且高效的偏振分束器（PBS）。本文對一種集成亞波長光柵（SWG）波導與槽型波導的偏振分束器進行了仿真[1]。該設計借助亞波長光柵波導和槽型波導的獨特特性，在小尺寸范圍內實現基于偏振的光束分離。偏振分束器的直通路徑采用亞波長光柵波導，交叉路徑采用槽型波導。亞波長光柵波導由周期性亞波長結構構成，其有效折射率可實現精細調控。在本設計中，亞波長光柵波導作為橫電（TE）偏振光的直通波導，使其傳播時與槽型波導的耦合程度極低；同時，它支持橫磁（TM）偏振光寬頻耦合至槽型波導。此外，亞波長光柵波導中的錐形過渡結構可最大限度減少其與條形波導界面處的反射，保證高效耦合。槽型波導由兩個間距緊密的硅側壁及狹窄的二氧化硅間隙組成，這種結構使 TE 偏振的電場被強烈限制在低折射率的間隙內，而 TM 偏振在槽型波導中的場分布則與條形波導相似。亞波長光柵的尺寸經過定制，僅使 TM 偏振實現條形波導（直通路徑）與槽型波導（交叉路徑）之間的模式匹配，從而實現從直通路徑到交叉路徑的高效耦合，完成偏振選擇性的能量傳輸。
展開 [NEWSLETTER] 用于點陣投影儀的非近軸分束器
為了實現所需的高點數，這些設備通常會結合高度發散的光源板與分束器。
在這些系統的模擬中，在精度和速度之間取得合適的平衡是相當具有挑戰性的：一方面，分束器的小結構需要應用嚴格的方法，而計算量往往很大。另一方面，模擬應該足夠快捷，能夠在內存使用和時間的合理范圍內產生結果。此外，該系統通常不僅包括點陣投影儀，而且如果不是其他的附加的光學元件如透鏡下，至少還包括在自由空間中傳播。
由光學建模和設計軟件VirtualLab Fusion提供的在單一平臺上的建模技術的非常自由的交互性的方法剛好適用上述情況。它允許應用嚴格的傅里葉模態方法/嚴格的耦合波分析（FMM/RCWA），以必要的精度建立非近軸分束器的模型，同時通過結合其他技術避免計算過度，這些技術可以更快分析系統中其他潛在元件，包括是否在自由空間傳播、通過鏡頭還是兩者兼而有之。所有這些都是在一個具有一致性光源模型的單一軟件平臺上進行的，這意味著從一種建模技術到另一種建模技術不會丟失重要信息，也避免了不同軟件包之間任何繁瑣的來回操作。
在本周的時事通訊中，我們展示了這樣一個點陣投影儀系統，提供了對該設備的工作原理的分析和涵蓋其設計的文檔。
一個點陣投影儀的功能原理的演示
本用例展示了點陣投影儀的工作原理，包括在衍射分束器的理想設計和真實設計之間的比較。
非近軸結構的設計與嚴格分析
衍射分束器
采用傅里葉模態法（FMM）對非近軸衍射分束器進行了嚴格的分析，該方法最初采用迭代傅里葉變換算法（IFTA）和薄元近似算法（TEA）進行設計。
展開 
高數值孔徑衍射分束器設計
案例386（1.0）
關鍵詞：衍射光學元件、DOE、高數值孔徑，畸變補償，幾何畸變，枕形，桶形，強度衰減，功率、陡降、損耗、預備信號場、光圖形、迭代傅里葉變換算法、IFTA、模組、分束器、衍射
1. 摘要
? 通過該案例闡述了如何利用迭代傅里葉變換算法進行高數值孔徑衍射分束器設計。
? 通過來分束器可以生成一個5x5規則的點陣圖形。
? 然而，由于偏轉角較大使得目標平面上這個規則的5x5點陣圖案產生了一個形變。
? 可以利用VirtualLab 模塊 Mod014 在迭代傅里葉變換算法設計中預補償該圖形的形變。
2. 設計任務：規則的5×5光束分束器
? 設計衍射分束器用于在衍射元件遠場生成規則的高數值孔徑光圖形。
? 最大衍射角(水平/豎直)：α=β=22.3°
? 最大衍射角(對角線)=30.1°
3. 設計任務
? 光源參數：
— 高斯光源波長：532nm
— 光束直徑(1/e2)：80um
? 系統參數：
— 衍射元件到屏幕距離：z=0.3m
? 期望輸出場：
— 期望點圖形：規則圖形，5×5的點陣
— 級次間距：49.2mm
— 目標圖案依據示例文件
“Sc386_TargetPattern_1.ca2”
? DOE參數：
— 僅改變位相的衍射光學元件
— 離散DOE的位相階數：4
4. 點圖形的變形
? 衍射元件通常是在等間距的計算網格上利用角譜域的迭代傅里葉變換算法完成設計。
? 對于非近軸衍射元件，衍射角和光軸上點的橫向距離之間沒有線性關系。
? 對于非近軸衍射角，期望點位置與最終獲得枕形畸變的點位置之間存在一個的差異。
展開 非近軸衍射分束器的設計與優化
衍射分束器能夠通過預先設置的功率比值將單束激光分割成多束，廣泛應用于激光材料加工和光學計量等領域。但是由于非近軸、高數值孔徑分束和衍射角所需的特征尺寸較小，這種器件的設計和優化可能具有難度。VirtualLab Fusion為光學工程師提供了幾個工具來幫助他們完成這項任務。
為了說明一般工作流程，我們展示了兩個案例：在第一個案例中，我們采用迭代傅里葉變換算法(IFTA)和基于薄元近似（TEA）的結構設計生成一系列分束器的初始設計，然后通過傅里葉模態法或嚴格耦合波分析(FMM/RCWA)進一步優化。為了給最后一個優化步驟定義一個合適和有效的優化函數，應用了可編程光柵分析器。第二個示例更詳細地介紹了這一部分。
非近軸衍射分束器的嚴格分析
采用傅里葉模態法(FMM)對非近軸衍射分束器進行了嚴格的評價，該方法最初采用迭代傅里葉變換算法(IFTA)和薄元近似算法(TEA)進行設計。
高數值孔徑分束器優化與用戶定義的優化函數
這個應用案例演示了如何定義和使用用戶自定義優化函數，用于評估和優化衍射高數值孔徑分束器的衍射級次效率。
展開 使用棱鏡分束器的Mach-Zehnder干涉儀互補干涉圖樣的觀測
摘要
分束器是將光束一分為二的重要光學元件，是干涉儀等許多光學實驗和測量系統的重要組成部分。作為一個典型的例子，在VirtualLab Fusion中建立了具有相干激光光源的Mach-Zehnder干涉儀，并利用非序列場追跡對其進行了分析。研究了理想結構分束器和實際結構分束器的不同性能，并演示了相對相移變化引起的互補干涉圖樣。
建模任務
理想分束器干涉圖樣
理想的分束器提供未修改的傳輸場和鏡像反射場。
在傳播過程中沒有觀察到相移。
實際分束器干涉圖樣
實際結構分束器有玻璃板和介質涂層引入了一個??的相移，構建和破壞了干涉圖。
展開 用于點陣投影儀的非近軸分束器
為了實現所需的高點數，這些設備通常會結合高度發散的光源板與分束器。
VirtualLab：用于點陣投影儀的非近軸分束器
為了實現所需的高點數，這些設備通常會結合高度發散的光源板與分束器。
在這些系統的模擬中，在精度和速度之間取得合適的平衡是相當具有挑戰性的：一方面，分束器的小結構需要應用嚴格的方法，而計算量往往很大。另一方面，模擬應該足夠快捷，能夠在內存使用和時間的合理范圍內產生結果。此外，該系統通常不僅包括點陣投影儀，而且如果不是其他的附加的光學元件如透鏡下，至少還包括在自由空間中傳播。
由光學建模和設計軟件VirtualLab Fusion提供的在單一平臺上的建模技術的非常自由的交互性的方法剛好適用上述情況。它允許應用嚴格的傅里葉模態方法/嚴格的耦合波分析（FMM/RCWA），以必要的精度建立非近軸分束器的模型，同時通過結合其他技術避免計算過度，這些技術可以更快分析系統中其他潛在元件，包括是否在自由空間傳播、通過鏡頭還是兩者兼而有之。所有這些都是在一個具有一致性光源模型的單一軟件平臺上進行的，這意味著從一種建模技術到另一種建模技術不會丟失重要信息，也避免了不同軟件包之間任何繁瑣的來回操作。
在本周的時事通訊中，我們展示了這樣一個點陣投影儀系統，提供了對該設備的工作原理的分析和涵蓋其設計的文檔。
一個點陣投影儀的功能原理的演示
本用例展示了點陣投影儀的工作原理，包括在衍射分束器的理想設計和真實設計之間的比較。
非近軸結構的設計與嚴格分析
衍射分束器
采用傅里葉模態法（FMM）對非近軸衍射分束器進行了嚴格的分析，該方法最初采用迭代傅里葉變換算法（IFTA）和薄元近似算法（TEA）進行設計。
展開 VirtualLab Fusion應用：用于點陣投影儀的非近軸分束器
為了實現所需的高點數，這些設備通常會結合高度發散的光源板與分束器。</p><p>在這些系統的模擬中，在精度和速度之間取得合適的平衡是相當具有挑戰性的：一方面，分束器的小結構需要應用嚴格的方法，而計算量往往很大。另一方面，模擬應該足夠快捷，能夠在內存使用和時間的合理范圍內產生結果。此外，該系統通常不僅包括點陣投影儀，而且如果不是其他的附加的光學元件如透鏡下，至少還包括在自由空間中傳播。</p><p>由光學建模和設計軟件VirtualLab Fusion提供的在單一平臺上的建模技術的非常自由的交互性的方法剛好適用上述情況。它允許應用嚴格的傅里葉模態方法/嚴格的耦合波分析（FMM/RCWA），以必要的精度建立非近軸分束器的模型，同時通過結合其他技術避免計算過度，這些技術可以更快分析系統中其他潛在元件，包括是否在自由空間傳播、通過鏡頭還是兩者兼而有之。所有這些都是在一個具有一致性光源模型的單一軟件平臺上進行的，這意味著從一種建模技術到另一種建模技術不會丟失重要信息，也避免了不同軟件包之間任何繁瑣的來回操作。</p><p>在本周的時事通訊中，我們展示了這樣一個點陣投影儀系統，提供了對該設備的工作原理的分析和涵蓋其設計的文檔。</p><p><strong>一個點陣投影儀的功能原理的演示</strong></p><p><img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/GnVWB4ma8jsn5hxluia1yzU3LAibqAJ8NXejDPE1fy6gQz7BmD3nGK0jsxicln5SDiaR9wCTm4EjdE0DKaVxyC7lbQ/640?wx_fmt=png&from=appmsg"></p><p>本用例展示了點陣投影儀的工作原理，包括在衍射分束器的理想設計和真實設計之間的比較。
展開 VirtualLab：使用自定義的評價函數優化高NA分束器
文件信息
延伸閱讀
-可編程光柵分析器
-非近軸衍射分束器的設計與嚴格分析
-產生二維光標的衍射分束器的設計
VirtualLab Fusion應用：非近軸衍射分束器的設計與嚴格分析
摘要
直接設計非近軸衍射分束器仍然是一個挑戰。由于衍射角相當大，元件的特征尺寸與工作波長在相同的數量級上。因此，設計過程超出了近軸建模方法。因此，在這個例子中，迭代傅里葉變換算法(IFTA)和薄元素近似(TEA)用于衍射元素的初始設計結構，和傅里葉模態方法(FMM)隨后應用于嚴格的性能評估。
設計任務
使用近軸近似的衍射1：7×7分束器的初步設計，通過嚴格分析，進一步優化零階均勻性和影響
光柵級次分析模塊設置
使用常規的分束器會話2編輯器，VirtualLabFusion提供了一個指導工具，允許用戶一步一步地指定所有影響分束器設計的參數。
1.通過應用設計帶中的結構設計，所得到的傳輸函數可以轉換為結構輪廓。
2.對于此轉換，使用了薄元近似(TEA)。因此，所得到的結構與初始相位函數成正比。
3.VirtualLab Fusion提供計算出的形式已經預設在光路中。
4.要在不同的模擬場景中使用這種結構，需要從組件內部獲取實際的采樣表面或指定的堆棧。
衍射分束器表面
為了進一步評估，使用了通用光柵光學設置，其中加載之前保存的堆棧。光柵光學裝置提供了獨特的工具、組件和分析儀，以進一步研究給定周期結構的特性和性能。
衍射光束求解器-薄元素近似(TEA)
□ 一般光柵組件提供了薄元近似(TEA)和傅里葉模態方法(FMM)作為解決模型給定的光柵。
□ 薄元近似通常產生更快的結果，當結構小于波長的5倍,可能有精度問題，。
□ 傅里葉模態方法允許一個嚴格的模擬，但需要更高的數值計算。
展開 VirtualLab Fusion：設計和優化生成2D光標的光束分束器元件
1) 進入任意陣列分束器會話編輯界面
圖1 點擊Start→Diffractive Optics→Arbitrary Array Beam Splitter
圖2 進入任意陣列光束分束器會話編輯界面
2) 確定輸入光場參數
圖3 確定光源定義類型：束腰直徑&全發散角
圖4 指定光源的波長&束腰直徑
3) 配置光學系統
圖5 確定光學系統類型
圖6 指定光學系統的有效焦距和孔徑直徑
4) 構建期望輸出場
圖7 指定期望輸出場構建方式
圖8 選擇相應的bitmap圖片
圖9 確定期望輸出場級次間的間距
5) 選擇優化函數
圖10 選擇所需的約束函數
6) 衍射光學元件透過率參數設置
圖11 指定透過率參數類型以及相位階次
點擊Finish，完成設計
7) 分析最終的光束分束器系統
圖12 點擊Go！進行模擬
8) 輸出評估
? VirtualLab允許評估任意優化函數。
? 對于設計和優化的過程，計算不同價值函數，目的是確保滿足一定的要求。
9) 設計和模擬結果
設計的光束分束器傳輸相位值 目標屏上的強度光圖樣
10) 總結
? VirtualLab提供易于使用的工具來設計和優化衍射分束器元件，生成規則和任意點陣。
? 輔助設計工具能夠幫助沒有相關設計經驗的工程師順利的完成衍射元件的設計和優化。
展開 VIRTUALLAB FUSION中馬赫曾德爾干涉儀的真實與理想分束器
使用兩個50:50分束器將準直光束分成兩部分，然后將它們在出口處重合在一起。 VirtualLab Fusion可對系統進行詳細建模，包括由實際分束器引起的兩個90°相移。
馬赫曾德爾干涉儀
本案例中，在VirtualLab Fusion中設置了馬赫曾德爾干涉儀， 并演示了樣品組件的傾斜和移動如何影響干涉條紋。
帶棱鏡分束器的馬赫曾德爾干涉儀中互補干涉圖案的觀察
本案例研究了理想和實際棱鏡分束器的不同性能。 實驗表明棱鏡引入的附加相移導致了互補的干涉圖案。
詳詢更多消息請發送郵件至: support@infotek.com.cn / support@infocrops.com
網址: http://www.infotek.com.cn / http://www.honglun-seminary.com
展開 VirtualLab Fusion應用：立方體分束器中的受抑全內反射
摘要
在光譜分析、干涉測量和光通信領域的許多應用中，分束器設備都發揮著至關重要的作用。一種常見的分束器是基于受抑全內反射（FTIR）：設置第一個玻璃棱鏡是為了讓入射光線在全內反射條件下照射到其中一個表面，第二個棱鏡直接置于其后面，這樣兩個棱鏡之間就只有一層非常薄的密度較低的材料（例如空氣）。 如果分隔層足夠薄，則全內反射至少會被穿過狹縫的倏逝波部分抑制，從而實現入射能量在分束器兩個輸出端之間的重新分配。
參考文獻：Chang Chien et al. “Design Analysis of a Beam Splitter Based on the Frustrated Total Internal Reflection”, Prog. Electromagn. Res., Vol. 124, 71-83, 2012.
基于FTIR的立方體分束器的反射率和透射率之比與棱鏡之間的狹縫厚度密切相關。在本示例中，我們研究了狹縫在0 nm至500 nm厚度范圍內產生的影響。我們將 VirtualLab Fusion 獲得的結果與已發表的參考文獻進行了比較：
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