光波導仿真的案例
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 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 活動報名 | 共探微納光學未來 — OAS光學軟件光波導+超表面解決方案交流會
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光波導+超表面解決方案線下活動
當下，AR/VR、光通信、超透鏡、微納成像等領域飛速發展，光波導作為 AR 顯示核心、超表面作為光學系統小型化關鍵，設計與仿真難度陡增。
2026年5月15日，OAS 光學軟件光波導仿真 + 超表面仿真解決方案線下活動將于上海舉辦，助您掌握光波導/超表面仿真設計核心技能。誠邀光學領域各位專家、老師、學者齊聚，零距離體驗國產自研光學仿真的硬核實力！
01/行業痛點，一鍵破解
當前光波導與超表面設計面臨多重困境：
?模型搭建復雜、參數優化繁瑣，傳統工具效率低、精度不足；
?跨尺度仿真難兼顧，幾何光學到波動光學銜接斷層；
?國產替代需求迫切，自主可控的專業仿真工具稀缺。
02/軟件強效助力光波導/超表面仿真
（軟件主界面）
OAS光學軟件軟件能夠在3D空間中通過序列和非序列光線追跡技術，精確模擬光學系統的性能表現。
軟件集成幾何光學到波動光學的跨尺度仿真，打通宏觀光路與微觀光柵的仿真壁壘，無需多軟件切換，實現毫米級到納米級全尺度無縫仿真。
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 
AR衍射光波導設計遇瓶頸，OAS 光學軟件來破局
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。
[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
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 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 Zemax Lumerical Speos 聯合實現衍射光波導AR系統設計仿真
2.光柵可以將光衍射成具有特定不同方向的幾束光束。為了探究光柵對光傳播的影響，可以使用交互式模擬，使光線從光源通過光學系統的傳播可視化。
3.可以通過照度傳感器收集射線并分析均勻性，傳感器允許計算光的輻照度(W/m2)或照度(Lux)。通過模擬結果，可以在波導的輸出耦合區域探索來自520nm均勻顯示源的輻照度。模擬完成后，雙擊XMP打開輻照度圖，并檢查均勻性。模擬計算選擇LXP，打開得到的lpf文件，通過measure功能，能供追跡光源到探測器的光線轉播路徑。
4.使用亮度探測器，以display光源入射系統評估最終特定視場下的亮度結果，收集系統的亮度信息，使用inverse仿真計算，打開XMP結果，系統顯示圖像信息內容。當然在仿真過程中，Speos支持加入場景環境光，使得系統的環境信息和顯示信息全部疊加到用戶的視野上。另外在人眼視覺條件下，激活人眼視覺參數可以模擬人眼的空間適應性，調節人眼參數實現不同的人眼視覺結果，在可讀可視性分析中，可以分析場景環境下目標信息的可識別性。
5.如果選擇observer 探測器，允許定義多角度的仿真模擬，將會得到Speos 360結果，可以動態多點查看系統的人眼視覺效果。
結論
在本例中使用1-D光柵用于衍射光學元件，為了使模式進一步發展，用戶可以用自己的1-D甚至2-D光柵代替光柵，在一個或兩個方向上衍射光。
展開 [VirtualLab] 基于分布式計算的AR光波導中測試圖像的仿真
在這個用例中，我們使用一個具有101×101個采樣點（即角度）的棋盤格測試圖像來研究光波導的角度性能，從而得到10201個單獨的基本模擬結果。
通過使用一個由5個提供41個客戶端的多核PC組成的網絡，模擬時間可以減少到大約4小時（與之前的大約43小時相比）。
模擬任務
1. 入射耦合
周期：380 nm；光柵脊寬度：190 nm；高度：100 nm；光柵方向：0°。
2. 出瞳擴展
周期：268.7 nm；光柵脊寬度：198~215 nm；高度：50 nm；光柵方向：45°。
3. 出射耦合器
周期：380 nm；光柵脊寬度：200~300 nm；高度：124 nm；光柵方向：90°。
基本仿真任務
1. 入射耦合
周期：380 nm；光柵脊寬度：190 nm；高度：100 nm；光柵方向：0°。
2. 出瞳擴展
周期：268.7 nm；光柵脊寬度：198~215 nm；高度：50 nm；光柵方向：45°。
3. 出射耦合
周期：380 nm；光柵脊寬度：200~300 nm；高度：124 nm；光柵方向：90°。
基本模擬任務的收集：入射視場角度
模擬時間（10201次模擬）：大約43小時。
模擬結果：不同視場角的輻射通量*。
*注： 21個×21個方向的結果存儲在參數連續變化的光柵的查找表中。
使用分布式計算
參數運行用于改變當前視場模式的角度，這允許將各種迭代分發到網絡中的計算機上。為了啟用分布式計算，只需導航到相應的選項卡，并配置可用的計算機和客戶端的數量。然后像往常一樣開始模擬，將數據傳輸到客戶端和結果的收集將自動完成（與本地執行的參數掃描的方式相同）。
展開 16，comsol仿真MIM波導（含慢光效應方面的曲線繪制） ￥1450
參考文獻是《帶有Ｔ型腔的ＭＩＭ 波導的法諾共振特性研究》-吳迪
帶有T型腔的MIM波導的法諾共振特性研究_吳敵.pdf
在之前的第2篇文章和第3篇文章中介紹了金納米顆粒的局域表面等離子體共振LSPR。在我看來，有個東西叫spp效應，與它像兄弟關系。spp就是 傳導型 表面等離子體共振，LSPR是 局域型 表面等離子體共振。感興趣的可以學下這兩本書。
在我看論文時發現，LSPR的文章多如牛毛，而SPP方面的文章就相對來說少見了。今天說的MIM波導正好與SPP有點相關.
下面是論文的結果 VS 我的結果
1，慢光效應的延時時間計算和等效折射率
上面這三張圖就是該復現該論文的難點，光學延遲時間和群折射率計算公式如下
難點在于要對圖7a求出的曲線，首先求每點的切線斜率，然后所有點的切線斜率合在一起得到圖7b。那么問題是該怎么求各點的切線斜率？翻翻高等數學書導數的定義就知道了。這里上面三幅圖我是在matlab中繪制的，主要原因是在comsol中還沒法畫出圖7a。
2，求MIM波導的透射率。這是MIM波導方面文章的必仿內容。
下面是付費內容，包含上面所有圖片的comsol模型以及對應的matlab代碼
展開 
VirtualLab之基于分布式計算的AR光波導中測試圖像的仿真
在這個用例中，我們使用一個具有101×101個采樣點（即角度）的棋盤格測試圖像來研究光波導的角度性能，從而得到10201個單獨的基本模擬結果。
通過使用一個由5個提供41個客戶端的多核PC組成的網絡，模擬時間可以減少到大約4小時（與之前的大約43小時相比）。
模擬任務
1. 入射耦合
周期：380 nm；光柵脊寬度：190 nm；高度：100 nm；光柵方向：0°。
2. 出瞳擴展
周期：268.7 nm；光柵脊寬度：198~215 nm；高度：50 nm；光柵方向：45°。
3. 出射耦合器
周期：380 nm；光柵脊寬度：200~300 nm；高度：124 nm；光柵方向：90°。
基本仿真任務
1. 入射耦合
周期：380 nm；光柵脊寬度：190 nm；高度：100 nm；光柵方向：0°。
2. 出瞳擴展
周期：268.7 nm；光柵脊寬度：198~215 nm；高度：50 nm；光柵方向：45°。
3. 出射耦合
周期：380 nm；光柵脊寬度：200~300 nm；高度：124 nm；光柵方向：90°。
基本模擬任務的收集：入射視場角度
模擬時間（10201次模擬）：大約43小時。
模擬結果：不同視場角的輻射通量*。
*注：21個×21個方向的結果存儲在參數連續變化的光柵的查找表中。
使用分布式計算
參數運行用于改變當前視場模式的角度，這允許將各種迭代分發到網絡中的計算機上。為了啟用分布式計算，只需導航到相應的選項卡，并配置可用的計算機和客戶端的數量。然后像往常一樣開始模擬，將數據傳輸到客戶端和結果的收集將自動完成（與本地執行的參數掃描的方式相同）。
展開 Ansys speos 案例 | 集成 Zemax與Lumerical 的光波導AR-HUD仿真方案
[圖片]
Zemax Lumerical Speos | 聯合實現衍射光波導AR系統設計仿真
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。此外，使用observer傳感器從幾個定義的角度對光學系統進行可視化，探索人眼在多個視點的真實照明條件下的感知。
結果分析
1.在Speos中，設置材料光學屬性，surface properties選擇plugin，plugin中選擇lumerical-sub-wavelength*.sop文件，在parameters中選擇JSON文件，同時使用UV mapping功能，旋轉光柵方向。
2.光柵可以將光衍射成具有特定不同方向的幾束光束。為了探究光柵對光傳播的影響，可以使用交互式模擬，使光線從光源通過光學系統的傳播可視化。
3.可以通過照度傳感器收集射線并分析均勻性，傳感器允許計算光的輻照度(W/m2)或照度(Lux)。通過模擬結果，可以在波導的輸出耦合區域探索來自520nm均勻顯示源的輻照度。模擬完成后，雙擊XMP打開輻照度圖，并檢查均勻性。模擬計算選擇LXP，打開得到的lpf文件，通過measure功能，能供追跡光源到探測器的光線轉播路徑。
4.使用亮度探測器，以display光源入射系統評估最終特定視場下的亮度結果，收集系統的亮度信息，使用inverse仿真計算，打開XMP結果，系統顯示圖像信息內容。當然在仿真過程中，Speos支持加入場景環境光，使得系統的環境信息和顯示信息全部疊加到用戶的視野上。另外在人眼視覺條件下，激活人眼視覺參數可以模擬人眼的空間適應性，調節人眼參數實現不同的人眼視覺結果，在可讀可視性分析中，可以分析場景環境下目標信息的可識別性。
展開 基于分布式計算的AR光波導中測試圖像的仿真
[圖片]
