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 伏圖高頻電磁場分析功能介紹及波導微波器件仿真APP開發
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 基于Rsoft的Fullwave仿真模塊進行雙芯波導能量耦合與波分復用
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
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 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 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 什么是波導？
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。
優化X和Y波導橫截面（例如，沿Z方向傳播）
計算將在波導中使用哪些模態，是TE模還是TM模，是單模還是多模
計算光沿波導傳播時，波導模態的傳播常數和有效折射率
計算波導的電場分布，包括電場的X、Y和Z分量
確認傳播的光波不會產生干涉
計算潛在損耗，包括波導彎曲可能產生的損耗
矩形波導的仿真
除研究波導屬性之外，還可對波導所在的系統進行仿真，以開發更好的片上設計。
例如，工程師可通過仿真觀察模態沿波導傳播的行為。他們可以看到光在分光器或耦合器中的行為，以確保光的有效耦合或分路，并最大限度降低更大光學或光子系統中的損耗。
在設計光學電路時，工程師還可通過仿真來分析其它組件，并確保它們能夠針對預期應用提供有最佳的屬性、功能性和特性。
展開 Speos案例 | 基于Speos的衍射波導AR風擋HUD系統仿真解決方案
相較于傳統反射鏡式AR HUD，衍射波導型AR HUD憑借體積小巧、集成性強、適配各類車載座艙狹小空間的優勢，成為行業主流發展方向。衍射波導AR HUD融合納米級光柵微結構與宏觀投影鏡頭系統，光學鏈路復雜，傳統單一仿真軟件難以實現全鏈路性能校驗。Ansys光學仿真套件構建了Zemax OpticStudio+Lumerical +Speos一體化設計仿工作流，覆蓋投影鏡頭設計、亞波長光柵建模、系統級光學集成分析全流程。
其中Ansys Speos作為系統級仿真核心工具，可實現多軟件數據無縫對接、三維環境光學仿真、人眼視覺感知評估，為車載AR HUD光學性能優化、成像質量校驗、雜散光抑制提供專業仿真支撐。本文基于Ansys官方衍射波導AR風擋HUD仿真案例，全面解析Speos在AR HUD研發中的應用價值、仿真流程、核心參數及結果分析，為車載光學行業研發人員提供參考。
衍射波導AR HUD技術優勢與仿真痛點
1.1 技術核心優勢
AR HUD可將車速、導航、路況等行車信息直接投射至駕駛員視野區域，實現視線不離路的安全駕駛輔助。衍射波導架構摒棄傳統大體積反射鏡模組，利用表面浮雕光柵（SRG）與光波導全反射原理完成光信號傳輸，核心優勢如下：
結構微型化：整體體積遠小于傳統反射鏡方案，易于嵌入儀表臺狹小空間；
成像畫質優：可精準控制光路傳播，適配大視場、高清晰度成像需求；
適配性廣泛：兼容各類車型風擋曲面結構，滿足不同座艙布局設計要求。
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 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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Ansys Lumerical | 針對 Grating coupler 的仿真分析方法
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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 [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。
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）
