光柵耦合仿真的案例
【Lumerical系列】用于增強耦合效率的集成微透鏡輔助的垂直光柵耦合器
而對于微透鏡成像系統，可通過粒子群優化（PSO）進行優化，包括微透鏡的長度D<sub>l</sub>、高度h以及微透鏡的中心與變跡光柵的中心之間的距離l<sub>x</sub>。</p><p><img src="https://img.jishulink.com/202604/imgs/d8025fd3e3d040aaac76aaa983967bc3"></p><p>圖3 微透鏡輔助的垂直光柵耦合器的參數示意圖</p><p>圖4顯示了仿真結果，優化后ML-VGC的電場如圖4（a）所示。很明顯，垂直入射光在通過透鏡后發生偏轉，并以適當的入射角耦合到光柵中。圖4（b）比較了裸光柵耦合器、SiO<sub>2</sub>覆蓋的光柵耦合器以及ML-VGC的耦合效率。結果顯示，裸光柵耦合器在1550nm處的峰值耦合效率為?5.78dB；而SiO<sub>2</sub>覆蓋的光柵耦合器中心波長偏移至1560nm；通過微透鏡輔助角度控制的ML-VGC的性能提高到-3.06dB。此外，圖4（c）和圖4（d）展示了透鏡位置偏差和高度偏差對耦合效率的影響。對于高達±500nm的位置誤差，耦合器的中心波長偏移約±2.5nm，CE波動小于0.3dB；當制作的微透鏡的高度偏差達到±500nm時，耦合器的中心波長漂移約±5nm，CE起伏小于0.1dB。仿真結果表明，ML-VGC在對制造誤差具有較高容限的同時，有效地提高了耦合性能。
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圖4 （a）ML-VGC的電場分布圖；（b）不同結構耦合效率的數值比較；（c）微透鏡位置誤差對耦合效率的影響；（d）微透鏡高度誤差對耦合效率的影響
總結與展望
本文介紹了一種微透鏡輔助光柵耦合器的設計，以提高垂直入射條件下的耦合效率。微透鏡通過熱回流工藝制造，集成到淺蝕刻切趾光柵耦合器上。通過操縱垂直入射光的透射角，微透鏡有效地將入射角與下面的光柵的耦合角對準。與現有的垂直光柵耦合器相比，這是一種提高耦合效率更通用的方法，將設計和制造的簡單性與使用納米壓印光刻的大規模集成的兼容性相結合。這些優勢使納米結構成為高性能光學檢測、光學成像、實時生化傳感等領域的有希望的候選者。
仿真案例參考
對于上述結構的仿真流程，可以參考Ansys官網中的案例文章《Integrated microlens and grating coupler for photonic integrated circuits》。其大致流程以及所需使用的仿真軟件如圖5所示。
圖5 仿真工作流程
參考流程：
步驟1：使用Lumerical進行尺寸參數設計
使用Ansys Lumerical中的FDTD求解器計算光柵輸出端的電場。然后將結果導出到.zbf文件中。
步驟2：使用Zemax進行宏觀設計
將步驟1中的.zbf文件導入OpticStudio，并使用光束屬性將光進一步傳播到光學系統中。
步驟3：使用Zemax進行宏觀逆向系統設計
在此步驟中，開始設計系統，考慮光從光纖通過微透鏡傳播到光柵耦合器。
步驟4：使用Lumerical的微結構逆向系統設計
此步驟將利用Zemax中POP計算出的場數據導入Lumerical中，計算系統的耦合效率。
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展開 耦合光柵優化
光波導耦合光柵的優化
光柵通常用于將光耦合出或耦合入光波導。在這種情況下，如何優化耦合效率始終是一個重要問題。耦合光柵通常具有與波長量級相同的特征尺寸，因此需要嚴格的建模技術。VirtualLab Fusion為光柵結構的配置、光柵分析的嚴格傅立葉模態法（FMM）以及參數優化方法提供了便捷的工具。結合這些技術，提出了耦合光柵優化的實用工作流程。
在VirtualLab Fusion中，光柵結構配置在“堆棧”中，根據光柵的幾何形狀，可以使用一系列界面或特殊介質去構建。在該示例中，解釋了基于界面的光柵結構配置。
展開 OptiFDTD應用：光柵耦合器
簡介：
光柵耦合器(GC)是一種廣泛應用于光纖(或自由空間)和亞微米波導之間耦合的I/O器件。
兩個典型的應用：基于CMOS兼容的絕緣硅片（SOI）平臺的光柵耦合器以及熱輔助磁記錄（HAMR）。
高耦合效率設計：分布式布拉格反射器的光柵耦合器或者光柵反射器，二元閃耀光柵耦合器，雙刻蝕切趾光柵耦合器等
2D FDTD模擬
光柵耦合器
SMGP
模擬結果
區域探測器得到的波長0.843um處Ey強度圖（2D&3D）
[NEWSLETTER] 耦合光柵優化
光柵通常用于將光耦合出或耦合入光波導。在這種情況下，如何優化耦合效率始終是一個重要問題。耦合光柵通常具有與波長量級相同的特征尺寸，因此需要嚴格的建模技術。VirtualLab Fusion為光柵結構的配置、光柵分析的嚴格傅立葉模態法（FMM）以及參數優化方法提供了便捷的工具。結合這些技術，提出了耦合光柵優化的實用工作流程。
光波導耦合光柵的優化
我們展示了針對一個特定入射方向的優化矩形光柵的設計工作流程，以得到特定衍射階下的最大效率。
使用界面配置光柵結構
在VirtualLab Fusion中，光柵結構配置在“堆棧”中，根據光柵的幾何形狀，可以使用一系列界面或特殊介質去構建。在該示例中，解釋了基于界面的光柵結構配置。
展開 OptiFDTD應用：光柵耦合器
簡介：
光柵耦合器(GC)是一種廣泛應用于光纖(或自由空間)和亞微米波導之間耦合的I/O器件。
兩個典型的應用：基于CMOS兼容的絕緣硅片（SOI）平臺的光柵耦合器以及熱輔助磁記錄（HAMR）。
高耦合效率設計：分布式布拉格反射器的光柵耦合器或者光柵反射器，二元閃耀光柵耦合器，雙刻蝕切趾光柵耦合器等
2D FDTD模擬
模擬結果
線探測器得到的功率譜
點探測器得到的時域中的Ey場
區域探測器得到的波長0.843um處Ey強度圖（2D&3D）
展開 VirtualLab：用于光導耦合的傾斜光柵的分析
摘要
傾斜光柵通常用于將光耦合到光學光導中，因為它們在特定的衍射級上具有很高的效率。目前，它們經常應用于增強現實和混合現實應用中。我們展示了如何使用VirtualLab Fusion來分析文獻中的某些傾斜光柵幾何形狀，具體參數包括傾斜角度、填充因子和調制深度。此外，還研究了不同入射角對衍射效率的影響。
建模任務
衍射效率vs相對深度
衍射效率vs傾斜角度
衍射效率vs填充系數
衍射效率vs入射角度
在VirtualLab Fusion中查看
VirtualLab Fusion中的工作流程
-光導耦合光柵結構的配置
-斜面光柵的高級配置[用例］
-通過使用特殊介質配置光柵結構[使用案例] -通過使用界面配置光柵結構[用例]
-通過使用接口配置光柵結構[用例]
-分析耦合光柵的衍射效率
-用于評估光導耦合光柵的定制檢測器[用例］
-通過對特定參數的掃描來檢查效率
-利用參數運行[用例] -利用參數運行[用例]
VirtualLab Fusion技術
文件信息
更多閱讀
-Parametric Optimization and Tolerance Analysis of Slanted Gratings
-Configuration of Grating Structures by Using Special Media
展開 用于光波導耦合的傾斜光柵的分析
走進VirtualLab Fusion
VirtualLab Fusion中的工作流程
?光波導耦合光柵結構的配置
- 傾斜光柵的高級配置
Advanced Configuration of Slanted Grating
[用例]
- 使用特殊介質配置光柵結構
Configuration of Grating Structures by Using Special Media
[用例]
- 使用接口配置光柵結構
Configuration of Grating Structures by Using Interfaces
[用例]
?分析耦合光柵衍射效率
- 用于光導耦合光柵評估的自定義探測器
Customized Detector for Lightguide Coupling Grating Evaluation
[用例]
?通過掃描特定參數來檢查效率
VirtualLab Fusion 技術
文件信息
更多閱覽 - Customized Detector for Lightguide Coupling Grating Evaluation
展開 用于光波導耦合的傾斜光柵分析
摘要
因其在確定衍射級上的高衍射效率，傾斜光柵廣泛用于將光耦合到光波導中。如今，傾斜光柵廣泛用于增強現實和混合現實應用中。本示例中將示范如何使用VirtualLab Fusion分析文獻中具有特定參數的某些傾斜光柵的幾何形狀（例如傾斜角、填充因子和調制深度）。 另外，研究了不同入射角對衍射效率的影響。
單入射方向光導耦合光柵的優化
將光耦合到光導中在現代光學的各種應用中具有重要意義。在VirtualLab Fusion中，使用傅立葉模態方法和參數優化工具，可以優化實際光柵幾何形狀，從而實現特定衍射級的最佳耦合效率。 該示例示出了針對一個特定入射方向優化矩形光柵以獲得最佳光導耦合效率的設計策略。
摘要
AR和MR光波導器件耦合光柵的優化
連續調制光柵區域光波導的優化
在下面的例子中，您可以看到這些工具中的一些發揮作用：
快速物理光學軟件VirtualLab Fusion通過其波導工具箱提供了一系列方便的工具，可在設計過程中幫助光學工程師。例如用于光柵結構配置的用戶友好的工作流程，用于光柵分析的嚴格傅里葉模態算法(FMM)，以及參數優化方法和一些針對光波導的系統設計方法。
本周，我們將繼續深入討論這個話題，看看光波導系統耦合光柵的優化。由于它們的尺寸小和自由參數很多的特點，這些任務眾所周知地極具挑戰性。
在上周的通訊中，我們強調了分析基于光波導的增強和混合現實(AR & MR)設備的一些挑戰。
連續調制光柵區域光波導的優化
我們演示了針對特定入射方向優化矩形光柵的設計流程，以獲得特定衍射級次的最大效率。
展開 
VirtualLab：單入射方向光波導耦合光柵的優化
摘要
將光耦合到光波導在現代光學的各種應用中具有重要意義。在VirtualLab Fusion中，使用傅里葉模態法(FMM，也稱為RCWA)和參數優化工具，可以優化真實的光柵幾何形狀，以實現特定衍射級次的最佳耦合效率。本例展示了針對特定入射方向優化二元光柵以獲得最佳光導耦合效率的設計策略。
建模任務
參數運行的掃描模式
VirtualLab Fusion參數運行文檔的掃描模式允許對參數空間的多維(通常是2D)區域執行參數掃描。這種掃描方法可以用于詳細分析光柵特性。更多資料請瀏覽：
參數運行的掃描模式
尋找初始解(正入射)
參數優化
為了找到合適的光柵參數集，使用了VirtualLab Fusion的優化文檔。它可以為目標值定義自定義的優化函數、參數約束和權重。更多資料請瀏覽：
參數優化文檔簡介
經過參數優化的最終設計(正入射 )
15°入射的初始解與最終設計
VirtualLab Fusion技術
文件信息
延伸閱讀
□
連續調制光柵區域光波導的優化
□ 如何用真實的光柵結構建立光波導
□ 目標視場下光波導耦合斜光柵的優化
□ 參數運行的掃描模式
□ 參數優化文檔簡介
展開 用于光波導耦合的傾斜光柵分析
摘要
因其在確定衍射級上的高衍射效率，傾斜光柵廣泛用于將光耦合到光波導中。如今，傾斜光柵廣泛用于增強現實和混合現實應用中。本示例中將示范如何使用VirtualLab Fusion分析文獻中具有特定參數的某些傾斜光柵的幾何形狀（例如傾斜角、填充因子和調制深度）。 另外，研究了不同入射角對衍射效率的影響。
2. 建模任務
3. 衍射效率vs.相對深度
4. 衍射效率vs.傾斜角
5. 衍射效率vs. 填充因子
6. 衍射效率vs.變化的入射角
7. 走進VirtualLab Fusion
8. VirtualLab Fusion 的工作流程
光波導耦合光柵結構的配置
傾斜光柵的高級配置 [使用案例]
使用特殊材料的光柵結構配置 [使用案例]
使用界面的光柵結構配置 [使用案例]
耦合光柵衍射效率分析
自定義的光波導耦合光柵評價探測器 [使用案例]
通過掃描特定的參數來檢查效率
參數運行的使用 [使用案例]
9. VirtualLab Fusion 技術
10. 文件信息
更多閱讀
- Parametric Optimization and Tolerance Analysis of Slanted Gratings
- Configuration of Grating Structures by Using Special Media
展開 Ansys Lumerical | FDTD 應用：設計光柵耦合器
本文將設計一個光柵耦合器，將光子芯片表面上的單模光纖連接到集成波導。內置粒子群優化工具用于最大化耦合效率，并使用組件S參數在 INTERCONNECT 中創建緊湊模型。還演示了如何使用 CML 編譯器提取這些參數以生成緊湊模型。（聯系我們獲取文章附件）
概述
本示例的目標是設計一個 TE 絕緣體上硅 （SOI） 耦合器，該耦合器帶有由單模光纖從頂部饋電的布拉格光柵。此設計中的關鍵品質因數（FOM）是目標波長處的耦合效率。耦合效率對光柵的間距高度敏感p，蝕刻長度le和蝕刻深度he以及光纖的位置x和傾斜角度θ。
這五個參數通常一起優化，以最大限度地提高目標中心波長的耦合效率。由于具有五個參數的暴力 3-D 優化非常耗時，因此此處使用 2-D 和 3-D 模型的組合進行兩階段優化，并且僅改變三個幾何參數。設計工作流程包括四個主要步驟。
1、初始 2-D 優化：優化光柵的間距 p、占空比 d 和光纖位置 x。
2、最終的 3-D 優化：優化光纖的位置 x 以最小化插入損耗。
3、S 參數提取：運行 S 參數掃描并將結果導出到數據文件。
4、緊湊的模型創建：將 S 參數數據導入光學 S 參數元素。
如下一節所示，主要使用40D仿真并改變光柵的間距、占空比和光纖位置可以獲得高于2%的峰值耦合效率。
使用 CML 編譯器生成緊湊模型
要使用CML編譯器生成光柵耦合器的緊湊模型，可以使用步驟3中的S參數數據。
運行和結果
第 1 步：2D 優化
1、打開 2D 模擬文件。
2、進入“優化和掃描”窗口，打開名為“耦合效率優化”的優化項，查看優化設置。
3、查看設置后，關閉編輯窗口并運行優化。優化應在 10 到20分鐘內完成。
展開 用于光波導耦合的傾斜光柵的分析
走進VirtualLab Fusion
VirtualLab Fusion中的工作流程
?光波導耦合光柵結構的配置
- 傾斜光柵的高級配置
Advanced Configuration of Slanted Grating
[用例]
- 使用特殊介質配置光柵結構
Configuration of Grating Structures by Using Special Media
[用例]
- 使用接口配置光柵結構
Configuration of Grating Structures by Using Interfaces
[用例]
?分析耦合光柵衍射效率
- 用于光導耦合光柵評估的自定義探測器
Customized Detector for Lightguide Coupling Grating Evaluation
[用例]
?通過掃描特定參數來檢查效率
VirtualLab Fusion 技術
文件信息
更多閱覽 - Customized Detector for Lightguide Coupling Grating Evaluation
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