波導仿真
關注創建者：匿名 創建時間：2026-01-04
波導仿真的實例教程
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 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 這里我們以一個簡單但具有代表性的微波器件案例——加載介質諧振塊的波導濾波器仿真，來展示高頻電磁場仿真APP的開發：矩形波導濾波器 – Simapps Store – 工業仿真APP商店
濾波器是通信系統射頻前端的核心器件，加載介質塊的波導濾波器是一種最簡單的濾波器實現形式，通過在傳統的矩形金屬波導中加載一個介質塊形成諧振器，從而對特定頻率進行調控。
矩形波導濾波器仿真
本APP可以對加載介質塊的波導濾波器進行設計仿真，用戶可通過修改波導參數、介質塊參數，快速得到仿真結果，同時可查看器件的電場、磁場分布以及器件參數。
濾波器電場分布
濾波器S參數曲線圖
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歡迎在線體驗仿真APP：矩形波導濾波器 – Simapps Store – 工業仿真APP商店
試用通用多物理場仿真PaaS平臺伏圖（Simdroid）：
伏圖? - Simapps Store - 工業仿真APP商店
探索更多仿真APP開發與應用，可關注“仿真APP賦能千行百業”系列直播！
觀看往期回放：【第8期】伏圖(Simdroid)高頻電磁場分析功能介紹及波導微波器件仿真APP開發 - Simapps Store - 工業仿真APP商店
系列直播回放：“仿真APP賦能千行百業”系列直播-合集 - Simapps Store - 工業仿真APP商店
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下期系列直播精彩預告：仿真APP在汽車電池包隨機振動分析中的應用 - Simapps Store - 工業仿真APP商店
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展開 Rsoft中的Fullwave仿真模塊可以更精確的仿真微小結構，按照建立模型，設置參數，監測能量，優化結構的思路對其進行仿真。圖1是在Fullwave模塊中建立的雙芯波導仿真模型。在模型中設置好折射率、光源、光路、監測器等便可以進行仿真。
圖1 雙芯波導建模圖
通過仿真得到如圖2所示的雙芯波導的縱向功率分布圖，波長為1310nm到1550nm的光源從波導的一個芯輸入，通過仿真可以看出雙芯波導的能量從一根耦合到另一根。
展開 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。
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波導仿真的最新內容
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！
系統仿真：多軟件聯合驗證方案可行性
在完成光柵結構設計與Zemax成像性能驗證后，團隊采用Lighttools與Rsoft軟件搭建了完整的L型光柵波導系統仿真模型，對全系統的眼動范圍均勻性、能量效率進行了全面驗證，同時結合Zemax的成像仿真結果，形成了“設計-成像驗證-系統驗證”的完整仿真流程。
OAS軟件跨尺度仿真來助力1個月前
OAS 在衍射波導仿真中的精度與效率得到驗證，可支撐車載 AR?HUD 從概念設計到工程落地的高效迭代，助力國產高端車載光學顯示系統自主研發與性能升級。
OAS 軟件在光波導設計、光柵仿真與雜散光分析領域的精準性與高效性得到驗證，可作為 AR 眼鏡成像系統設計與優化的可靠技術工具，有效解決衍射效率低、成像一致性差等行業痛點，助力 AR 眼鏡實現輕量化與高性能化的設計目標。
隨著2023.1版本的發布，一整套有趣的新特性被添加到快速物理光學建模和設計軟件VirtualLab Fusion。貼合發布的主題之一——“探測器革命”——我們提出了新的工具，通過新的通用探測器和各種有用的附加組件來提取關于您的光學系統的信息。
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
OAS 軟件在光波導設計、光柵仿真與雜散光分析領域的精準性與高效性得到驗證，可作為 AR 眼鏡成像系統設計與優化的可靠技術工具，有效解決衍射效率低、成像一致性差等行業痛點，助力 AR 眼鏡實現輕量化與高性能化的設計目標。
什么是波導？2個月前
波導設計與仿真
可以使用模求解器對波導進行仿真，并預測其傳播模式。Ansys Lumerical產品系列可幫助工程師進行光學波導仿真，而Ansys HFSS高頻電磁仿真軟件則可用于射頻和微波仿真。仿真可以幫助工程師更好地設計波導，而無需進行大量反復試驗和原型制作。
以下是仿真軟件可實現的應用示例：
設計不同類型的波導，這些波導由不同材料制成，具有多種尺寸規格。
[圖片]
摘要
眾所周知，因為光學配置的復雜性和多光源模型建模的視場（FOV）等，針對增強和混合現實（AR，MR）應用的光波導組合器建模是具有挑戰性的。因此，詳細的分析，例如對視場角特性的光學性能的分析，可能是相當耗時的，因為必須考慮許多光源模式和視場角。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。
