二維周期光柵建模的案例
構造二維周期性光柵結構
復雜光柵結構被廣泛應用于光譜儀、近眼顯示系統等領域。VirtualLab Fusion 軟件用傅立葉模態法（FMM,或者RCWA）一種簡易的仿真方法來嚴格分析任意的光柵結構。使用圖形用戶界面，可以設置堆棧的幾何圖形，從而生成復雜的光柵結構。 此例程主要用于構建具有二維周期性特征的光柵。
? 光柵工具箱中構建二維光柵的方法 ? 基于介質定義的類型 ? 基于界面定義的類型
? 計算之前修改高級選項和檢查定義的結構的方法。
? 提示：在VirtualLab軟件中的光柵結構中，表現為二維周期性的被稱作 三維光柵。同樣的，層狀光柵（一維周期性）被稱作二維光柵。
初始化光柵工具箱
通用光柵光路圖（三維光柵） General Grating Light Path Diagram(3D Gratings)
光柵菜單欄(Grating) ?
?
開始菜單欄 (Start)?
?
初始化
Path Diagram(3D Gratings))
設置光柵結構
?
首先，需要定義基底(Base Block)的厚度和介質。
?
VirtualLab中光柵結構在堆棧(stack) 中定義。
?
可以在基底的前表面、后表面或者前后表面同時添加堆棧(stack)。
展開 [VirtualLab] 二維周期光柵結構的配置
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.
展開 二維周期光柵結構的配置
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?？梢愿綄僭诨椎囊粋然騼蓚取?? 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.
展開 二維周期光柵結構的配置
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?？梢愿綄僭诨椎囊粋然騼蓚?。
? 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。
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[VirtualLab] 構造二維周期性光柵結構
? 堆棧周期(Stack Period)可以控制整個結構的周期。
? 對于二維周期性光柵，必須在x和y方向分別定義周期。
? 該周期也是FMM算法的周期邊界條件。
? 對于簡單的光柵結構，建議選擇與介質周期一致 (Dependent from the Period of Medium) 選項，并選擇合適的周期性介質的序號。
VirtualLab：構造二維周期性光柵結構
復雜光柵結構被廣泛應用于光譜儀、近眼顯示系統等領域。VirtualLab Fusion 軟件用傅立葉模態法（FMM,或者RCWA）一種簡易的仿真方法來嚴格分析任意的光柵結構。使用圖形用戶界面，可以設置堆棧的幾何圖形，從而生成復雜的光柵結構。此例程主要用于構建具有二維周期性特征的光柵。
? 光柵工具箱中構建二維光柵的方法 ? 基于介質定義的類型 ? 基于界面定義的類型
? 計算之前修改高級選項和檢查定義的結構的方法。
? 提示：在VirtualLab軟件中的光柵結構中，表現為二維周期性的被稱作 三維光柵。同樣的，層狀光柵（一維周期性）被稱作二維光柵。
初始化光柵工具箱
? 初始化
? 開始菜單欄 (Start)?
光柵菜單欄(Grating) ?
通用光柵光路圖（三維光柵） General Grating Light Path Diagram(3D Gratings)
? 提示：對于特殊類型的光柵，例如柱形光柵，
可以在光柵工具箱中直接點擊柱形光柵光路
圖（三維光柵）(Pillar Grating Light
Path Diagram(3D Gratings))
設置光柵結構
? 首先，需要定義基底(Base Block)的厚度和介質。
? VirtualLab中光柵結構在堆棧(stack) 中定義。
? 可以在基底的前表面、后表面或者前后表面同時添加堆棧(stack)。
? 例如，圖中在前表面添加了堆棧(stack)。
基于材料定義光柵的類型（例程：柱形光柵）
堆棧編輯器
在堆棧編輯器(Stack Editor)中，界面和材料可以從中目錄(catalog) 中添加。
? 為了用一種特殊的介質定義光柵，需要添加兩個平面界面，作為介質的邊界。
展開 VirtualLab：構造二維周期性光柵結構
復雜光柵結構被廣泛應用于光譜儀、近眼顯示系統等領域。VirtualLab Fusion 軟件用傅立葉模態法（FMM,或者RCWA）一種簡易的仿真方法來嚴格分析任意的光柵結構。使用圖形用戶界面，可以設置堆棧的幾何圖形，從而生成復雜的光柵結構。此例程主要用于構建具有二維周期性特征的光柵。
? 光柵工具箱中構建二維光柵的方法 ? 基于介質定義的類型 ? 基于界面定義的類型
? 計算之前修改高級選項和檢查定義的結構的方法。
? 提示：在VirtualLab軟件中的光柵結構中，表現為二維周期性的被稱作 三維光柵。同樣的，層狀光柵（一維周期性）被稱作二維光柵。
初始化光柵工具箱
? 初始化
? 開始菜單欄 (Start)?
光柵菜單欄(Grating) ?
通用光柵光路圖（三維光柵） General Grating Light Path Diagram(3D Gratings)
? 提示：對于特殊類型的光柵，例如柱形光柵，
可以在光柵工具箱中直接點擊柱形光柵光路
圖（三維光柵）(Pillar Grating Light
Path Diagram(3D Gratings))
設置光柵結構
? 首先，需要定義基底(Base Block)的厚度和介質。
? VirtualLab中光柵結構在堆棧(stack) 中定義。
? 可以在基底的前表面、后表面或者前后表面同時添加堆棧(stack)。
? 例如，圖中在前表面添加了堆棧(stack)。
基于材料定義光柵的類型（例程：柱形光柵）
堆棧編輯器
在堆棧編輯器(Stack Editor)中，界面和材料可以從中目錄(catalog) 中添加。
? 為了用一種特殊的介質定義光柵，需要添加兩個平面界面，作為介質的邊界。
展開 VirtualLab：二維周期光柵結構（菱形）光波導的應用
VirtualLab Fusion能夠通過應用我們獨特的物理光學方法對此類設備進行詳細建模，包括所有效應（例如相干、偏振和衍射）。我們通過對專利WO2018/178626中提到的設備進行建模來證明這一能力，該設備由復雜的一維和二維菱形光柵結構組成。
建模任務：專利WO2018/178626
任務描述
光波導元件
使用光波導組件，可以輕松定義具有復雜形狀區域的系統。此外，這些區域可以配備理想的或真實的光柵結構，以充當入射耦合器、出耦合器或出瞳擴展器。
光波導結構
使用光波導組件，可以輕松定義具有復雜形狀區域的系統。此外，這些區域可以配備理想的或真實的光柵結構，以充當入射耦合器、出耦合器或出瞳擴展器。
光柵#1:一維傾斜周期光柵
幾何布局展示了2個光柵：
?光柵1耦合器：層狀（一維周期性），例如傾斜光柵
?光柵2 EPE和輸出耦合器：交叉光柵（二維周期，非正交）
光柵#2：具有菱形輪廓的二維周期光柵
使用內置調制介質的具有傾斜脊的一維周期光柵結構。
可用參數：
?周期：400納米
?z方向延伸（沿z軸的調制深度）：400nm
?填充系數（非平行情況下底部或頂部）：50%
?傾斜角度：40o
總結—元件
具有非正交二維周期的菱形（菱形）光柵結構，通過定制接口實現。
展開 VirtualLab：二維周期光柵結構（菱形）光波導的應用
VirtualLab Fusion能夠通過應用我們獨特的物理光學方法對此類設備進行詳細建模，包括所有效應（例如相干、偏振和衍射）。我們通過對專利WO2018/178626中提到的設備進行建模來證明這一能力，該設備由復雜的一維和二維菱形光柵結構組成。
建模任務：專利WO2018/178626
任務描述
光波導元件
使用光波導組件，可以輕松定義具有復雜形狀區域的系統。此外，這些區域可以配備理想的或真實的光柵結構，以充當入射耦合器、出耦合器或出瞳擴展器。
光波導結構
使用光波導組件，可以輕松定義具有復雜形狀區域的系統。此外，這些區域可以配備理想的或真實的光柵結構，以充當入射耦合器、出耦合器或出瞳擴展器。
光柵#1:一維傾斜周期光柵
幾何布局展示了2個光柵：
?光柵1耦合器：層狀（一維周期性），例如傾斜光柵
?光柵2 EPE和輸出耦合器：交叉光柵（二維周期，非正交）
光柵#2：具有菱形輪廓的二維周期光柵
使用內置調制介質的具有傾斜脊的一維周期光柵結構。
可用參數：
?周期：400納米
?z方向延伸（沿z軸的調制深度）：400nm
?填充系數（非平行情況下底部或頂部）：50%
?傾斜角度：40o
總結—元件
具有非正交二維周期的菱形（菱形）光柵結構，通過定制接口實現。
展開 VirtualLab：二維周期光柵結構（菱形）光波導的應用
VirtualLab Fusion能夠通過應用我們獨特的物理光學方法對此類設備進行詳細建模，包括所有效應（例如相干、偏振和衍射）。我們通過對專利WO2018/178626中提到的設備進行建模來證明這一能力，該設備由復雜的一維和二維菱形光柵結構組成。
建模任務：專利WO2018/178626
任務描述
光波導元件
使用光波導組件，可以輕松定義具有復雜形狀區域的系統。此外，這些區域可以配備理想的或真實的光柵結構，以充當入射耦合器、出耦合器或出瞳擴展器。
光波導結構
使用光波導組件，可以輕松定義具有復雜形狀區域的系統。此外，這些區域可以配備理想的或真實的光柵結構，以充當入射耦合器、出耦合器或出瞳擴展器。
光柵#1:一維傾斜周期光柵
幾何布局展示了2個光柵：
?光柵1耦合器：層狀（一維周期性），例如傾斜光柵
?光柵2 EPE和輸出耦合器：交叉光柵（二維周期，非正交）
光柵#2：具有菱形輪廓的二維周期光柵
使用內置調制介質的具有傾斜脊的一維周期光柵結構。
可用參數：
?周期：400納米
?z方向延伸（沿z軸的調制深度）：400nm
?填充系數（非平行情況下底部或頂部）：50%
?傾斜角度：40o
總結—元件
具有非正交二維周期的菱形（菱形）光柵結構，通過定制接口實現。
展開 具有變化周期的亞波長光柵成像
摘要
當用近軸光照明時，亞波長光柵僅產生一個衍射級，因此在這種情況下無法成圖像。為了克服這一問題，可以使用非傍軸照明。如在此示例中，采用高NA聚光透鏡來為具有不同周期的光柵提供高度聚焦的照明，并且該衍射場將由另一個高NA物鏡采集。VirtualLab可以模擬這樣的成像過程，包括使用傅立葉模態法對亞波長光柵進行嚴格模擬。
基于Rsoft軟件進行長周期光纖光柵模擬
通過光纖光柵模式耦合及透射譜的相關理論知識，LPFG的光譜特性受光柵周期，包層厚度及光柵長度等變量影響。
圖1 LPFG幾何模型
在研究分析光譜特性過程中，相位匹配曲線即諧振波長與光柵周期的關系曲線是不可或缺的環節，本文所建立的LPFG模型均是在Rsoft平臺上操作的，如圖1所示。
上圖中可以詳細全面地觀察到光柵的XYZ各方向的形態。軟件在各參數設置好后如圖2所示其中光纖光柵參數具體設置為：折變量為0.0005，柵區長度為20000，纖芯折射率為1.4681，包層折射率1.4628，纖芯半徑4.15，包層半徑為62.5，環境折射率為1，柵格調制區長度/光柵長度（占空比）為0.5。
圖3中標注的各模式階次,是在Rsoft中Edit Symbols里將free space wavelength改為要查看的模式階次諧振波長，然后在Perform Simulation只仿真該諧振波長，可以查看到對應的階次的模式圖。
展開 具有變化周期的亞波長光柵成像
摘要
當用近軸光照明時，亞波長光柵僅產生一個衍射級，因此在這種情況下無法成圖像。為了克服這一問題，可以使用非傍軸照明。如在此示例中，采用高NA聚光透鏡來為具有不同周期的光柵提供高度聚焦的照明，并且該衍射場將由另一個高NA物鏡采集。VirtualLab可以模擬這樣的成像過程，包括使用傅立葉模態法對亞波長光柵進行嚴格模擬。
1. 建模任務
3. 文件和技術信息
自定義模塊：根據光導的導光條件計算光柵周期
摘要
為了滿足光波導的導光條件，在VirtualLab Fusion中生成了一個計算耦合光柵周期范圍的模塊。為了輔助設計基于波導的顯示器件，給定某個視場(FOV)作為所需的輸入參數。在該模塊中，利用光波導的全內反射限制和傳播光限制來計算可能的光柵周期范圍。
編程任務：在k域中定義視場
任務：生成一個計算耦合光柵周期范圍的模塊，以滿足平面光波導的導光條件。
說明耦合過程的平面光導圖
定義入射光空間頻率矢量的x、y分量為
而笛卡爾角α和β則用于定義一組入射方向的特定視場(FOV)方向。角度和方向之間的關系描述如下
編程任務：定義導光條件
k域圖說明導光條件
導模必須滿足導光條件，包括全內反射條件和傳播模條件
光柵是一種優良的耦合元件，因為在考慮光柵矢量G的情況下，FOV在k域中發生位移，進而可將導光條件推廣到
編程任務：計算周期范圍
k域圖說明導光條件
在一維周期光柵的情況下，光柵矢量的一個分量變為零，并且FOV總是可以旋轉到光柵的內部坐標系中，使???? = 0不失一般性。
在導光條件之后，將一定FOV耦合到光導中的一維周期光柵的周期范圍可以通過以下公式計算：
VirtualLab模塊的輸入
VirtualLab模塊的輸出
文件信息
延伸閱讀
- 單入射方向光導耦合光柵的優化
- 期望視場上用于光導耦合的二元光柵優化
- 期望視場上用于光導耦合的斜光柵優化
展開 自定義模塊：根據光導的導光條件計算光柵周期
摘要 為了滿足光波導的導光條件，在VirtualLab Fusion中生成了一個計算耦合光柵周期范圍的模塊。為了輔助設計基于波導的顯示器件，給定某個視場(FOV)作為所需的輸入參數。在該模塊中，利用光波導的全內反射限制和傳播光限制來計算可能的光柵周期范圍。
編程任務：在k域中定義視場
任務：生成一個計算耦合光柵周期范圍的模塊，以滿足平面光波導的導光條件。
說明耦合過程的平面光導圖 定義入射光空間頻率矢量的x、y分量為
而笛卡爾角α和β則用于定義一組入射方向的特定視場(FOV)方向。角度和方向之間的關系描述如下
編程任務：定義導光條件
k域圖說明導光條件
導模必須滿足導光條件，包括全內反射條件和傳播模條件
光柵是一種優良的耦合元件，因為在考慮光柵矢量G的情況下，FOV在k域中發生位移，進而可將導光條件推廣到
編程任務：計算周期范圍
k域圖說明導光條件 在一維周期光柵的情況下，光柵矢量的一個分量變為零，并且FOV總是可以旋轉到光柵的內部坐標系中，使???? = 0不失一般性。在導光條件之后，將一定FOV耦合到光導中的一維周期光柵的周期范圍可以通過以下公式計算：
VirtualLab模塊的輸入
VirtualLab模塊的輸出
文件信息
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