相位光柵仿真的案例
TechWiz 3D應用：液晶相位光柵
TechWiz
在光學設置中包含透鏡系統液晶相位光柵
建模任務
液晶光柵利用了液晶折射率等光學特性周期變化引起的尋常光與非尋常光產生的相位差及偏轉特性變化的器件。液晶光柵的這一電光特性在光學計算處理、衍射光學、三維 圖像顯示和光電開關等許多領域具有廣泛的應用前景。
條件設置：
邊界條件：周期邊界條件
預傾角：1°
方位角：90°
液晶參數：Δε=5 Δn=0.139
光源：λ=633nm 水平線偏振光
器件結構(FFS型)
結果
不同位置在不同電壓下產生的相位延遲
施加電壓后產生的衍射圖樣
TechWiz 3D應用：液晶相位光柵
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TechWiz
在光學設置中包含透鏡系統液晶相位光柵
建模任務
液晶光柵利用了液晶折射率等光學特性周期變化引起的尋常光與非尋常光產生的相位差及偏轉特性變化的器件。液晶光柵的這一電光特性在光學計算處理、衍射光學、三維 圖像顯示和光電開關等許多領域具有廣泛的應用前景。
條件設置：
邊界條件：周期邊界條件
預傾角：1°
方位角：90°
液晶參數：Δε=5 Δn=0.139
光源：λ=633nm 水平線偏振光
器件結構(FFS型)
結果
不同位置在不同電壓下產生的相位延遲
施加電壓后產生的衍射圖樣
展開 [Optiwave] OptiSystem應用：相位敏感光時域反射（Φ-OTDR）仿真
Φ-OTDR是一種基于相位變化的光時域反射技術，主要利用光脈沖在光纖中傳播時,由于瑞利散射，部分散射光將耦合到光纖纖芯中并以相反的方向傳播, 然后通過干涉儀觀測散射光與發射光的相位差異，從而分析光纖狀態和位置。由于其高靈敏度和分布式感知的特性，Φ-OTDR主要作為一種分布式光纖聲學/振動傳感器使用。
本案例利用OptiSystem仿真Φ-OTDR。
首先，我們搭建一個如圖1所示的系統布局。
圖1.Φ-OTDR系統布局
利用Φ-OTDR組件模擬基于瑞利散射的光纖振動傳感器的行為。該組件可用于感應不同位置的多種振動。用戶輸入振動次數及其位置、光纖長度和光纖參數、激光特性和發射脈沖條件。然后，基于瑞利散射效應的Φ-OTDR分量計算振動頻率和位置。如圖2-圖4所示，依次設置傳輸光纖、發射脈沖以及振動分布。
圖2.光纖參數設置
圖3.發射脈沖設置
圖4.振動分布設置
我們依次在光纖1、2和3次不同位置的振動，比較結果。
a） 只考慮1處位置振動的振幅分布
b） 只考慮1處位置振動的頻率分布
圖5.只考慮1處位置振動
a） 考慮2處位置振動的振幅分布
b） 考慮2處位置振動的頻率分布
圖6.考慮2處位置振動
a） 考慮3處位置振動的振幅分布
b） 考慮3處位置振動的頻率分布
圖7.考慮3處位置振動
我們也可以導入實驗中測量的瑞利散射數據。
圖8.導入實驗測量瑞利散射數據
圖9.導入數據后的振幅分布
展開 技巧-Ansys Lumerical 衍射光柵仿真實例
01 說明
此示例描述了衍射光柵對正入射寬帶平面波的響應。Lumerical提供了一組光柵腳本以及“光柵階數傳輸”分析組，可以輕松計算常見結果，例如不同波長的光柵階數、衍射角和光柵效率，光柵分析組還可用于獲得特定光柵階數的功率分數。
02 綜述
本例中的衍射光柵是平面上半橢球的二維陣列。一個寬帶（0.85~1μm)平面波通常從襯底入射到表面光柵上，從而在透射和反射區域產生多個衍射級。“光柵階次傳輸”分析組使用各種與光柵相關的命令，并返回對光柵的一般表征有用的綜合結果列表：
光柵階數
每個光柵階數的光柵效率
每個光柵階的S或P偏振光的光柵效率
每個光柵階的方向余弦（遠場半球中的theta和phi值）
上述結果作為波長函數返回，可直接用于您的光柵設計或進一步處理以產生您感興趣的品質因數。
03 運行和結果
在FDTD中打開并運行仿真文件(diffraction_grating_FDTD.fsp.)，然后打開并運行腳本文件(diffraction_grating_FDTD.lsf.)
光柵階數與波長
下圖顯示了光柵在不同波長支持的透射/反射階數。可以注意到：
光柵在更短波長支持更多的衍射級次。
反射比透射顯示更多的光柵階數。這是因為基板的折射率(1.45)大于空氣的折射率，這意味著基板中的有效波長較短。這與上述觀察一致。
透射和反射均顯示光柵階數在0.9μm處發生突變，低于0.9出現新的光柵階數。
展開 
用于光柵仿真的非偏振光
光柵仿真中的非偏振光
光柵等光學設備對光的偏振很敏感。 因此，在仿真中正確考慮光的偏振非常重要。 在實踐中，光柵有時使用非偏振光作為輸入。 我們展示了如何將這種非偏振光建模為兩個正交偏振態的平均值，用于 VirtualLab Fusion 中的光柵仿真。 提供了示例來說明軟件中的相應設置。
光柵仿真中的光源設置
? 光柵分析
– 對于使用傅立葉模態方法 (FMM / RCWA) 的單光柵分析，使用平面波入射來計算
例如 衍射效率是所研究光柵的固有特性。
? 非偏振平面波
– 考慮沿 z 方向的平面波，可以認為非偏振光在統計上可以同時具有任何偏振狀態。
– 可以將任意偏振態投影到兩個正交狀態上； 統計上，非偏振光沿著形成這個正交基礎的兩個狀態給出了相等的投影。
– 因此，我們可以以非相干的方式使用兩個正交狀態的平均值來表示非偏振光。
光柵仿真中的偏振相關分析儀
? 光源偏振態的手動控制
– 光在 VirtualLab Fusion 中始終以矢量形式表示，用戶可以完全控制光源設置中的偏振狀態。
– 遵循基本概念，可以根據非偏振光的需要，使用特定的輸入偏振態進行光柵模擬。。
展開 VirtualLab：用于光柵仿真的非偏振光
摘要
光柵等光學設備對光的偏振很敏感。因此，在仿真中正確考慮光的偏振非常重要。在實踐中，光柵有時使用非偏振光作為輸入。我們展示了如何將這種非偏振光建模為兩個正交偏振態的平均值，用于 VirtualLab Fusion 中的光柵仿真。提供了示例來說明軟件中的相應設置。
光柵仿真中的非偏振光
? 光柵分析
– 對于使用傅立葉模態方法 (FMM / RCWA) 的單光柵分析，使用平面波入射來計算
例如 衍射效率是所研究光柵的固有特性。
? 非偏振平面波
– 考慮沿 z 方向的平面波，可以認為非偏振光在統計上可以同時具有任何偏振狀態。
– 可以將任意偏振態投影到兩個正交狀態上；統計上，非偏振光沿著形成這個正交基礎的兩個狀態給出了相等的投影。
– 因此，我們可以以非相干的方式使用兩個正交狀態的平均值來表示非偏振光。
光柵仿真中的光源設置
? 光源偏振態的手動控制
– 光在 VirtualLab Fusion 中始終以矢量形式表示，用戶可以完全控制光源設置中的偏振狀態。
– 遵循基本概念，可以根據非偏振光的需要，使用特定的輸入偏振態進行光柵模擬。。例如，通過選擇 TE 和 TM 偏振作為兩個正交基態，我們可以對兩種配置獨立執行光柵仿真，然后通過功能區菜單功能手動平均結果（如下所述）。
光柵仿真中的偏振相關分析儀
? 光柵偏振分析儀
– 對于光柵衍射效率計算，VirtualLab Fusion 提供了偏振分析儀，用于研究偏振相關效應。
– 與光柵階次分析器相比，偏振分析器對入射的偏振態有額外的控制。
– 偏振分析儀中的偏振設置獨立于光學設置中的光源設置。
展開 基于Rsoft軟件的達曼光柵仿真
1、概述
達曼光柵（Dammann grating,DG）是一種典型的二元光學元件（bianry optical elements，BOE），通過二元光學相位變化點的橫向位置的調制來實現激光遠場多級譜點等強度的光點陣列。
達曼光柵作為一種常用的激光分束器件，可以產生任意排列點陣且光柵均勻性不受入射光波的影響，其具有優均勻性、低損耗、結構緊湊等優良性能，在光互連、光通信、光計算和多重計算成像領域得到了廣泛的應用。
RSoft軟件的DiffractMOD是一種用于衍射光學元件結構的設計和仿真工具，基于嚴格耦合波分析（RCWA）算法，包括快速傅里葉分解和廣義傳輸線公式，可以處理復雜的周期性結構，其中包含具有有損或色散材料的介電和金屬成分。
2、達曼光柵設計仿真
達曼光柵結構設計可以基于matlab或者mathematica軟件進行優化，然后在RSoft軟件進行仿真。
2.1、達曼光柵設計
上圖為達曼光柵的一個周期結構，進行歸一化處理，光柵及其衍射級次能量分布完全由光柵結構中的那些突變點坐標（a,b）所決定。通過優化突變點坐標可以實現特定衍射級次能量的均勻化。
本文以1*14分束比的一維達曼光柵為例，利用mathematica軟件進行優化。優化步驟分三步，詳細如下所示，
首先，利用mathematica軟件編寫標量衍射理論，光束經過達曼光柵得到每個衍射級次的能量分布解析式，如上圖所示，aa，bb是二元相位突變點坐標，mm是衍射級次，theta是相位大小；
通過計算衍射級次能量可以得到衍射效率和不均勻度，然后利用衍射效率和不均勻度創建一個評價函數；
最后利用mathematica軟件求解評價函數的最優解，即可得到很好的達曼光柵結構和衍射能量分布，其能量分布如上所示。
展開 Lumerical 表面浮雕光柵仿真設計
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[VirtualLab] 用于光柵仿真的非偏振光
摘要
光柵等光學設備對光的偏振很敏感。 因此，在仿真中正確考慮光的偏振非常重要。 在實踐中，光柵有時使用非偏振光作為輸入。 我們展示了如何將這種非偏振光建模為兩個正交偏振態的平均值，用于 VirtualLab Fusion 中的光柵仿真。 提供了示例來說明軟件中的相應設置。
光柵仿真中的非偏振光
? 光柵分析
– 對于使用傅立葉模態方法 (FMM / RCWA) 的單光柵分析，使用平面波入射來計算
例如 衍射效率是所研究光柵的固有特性。
? 非偏振平面波
– 考慮沿 z 方向的平面波，可以認為非偏振光在統計上可以同時具有任何偏振狀態。
– 可以將任意偏振態投影到兩個正交狀態上； 統計上，非偏振光沿著形成這個正交基礎的兩個狀態給出了相等的投影。
– 因此，我們可以以非相干的方式使用兩個正交狀態的平均值來表示非偏振光。
光柵仿真中的光源設置
? 光源偏振態的手動控制
– 光在 VirtualLab Fusion 中始終以矢量形式表示，用戶可以完全控制光源設置中的偏振狀態。
– 遵循基本概念，可以根據非偏振光的需要，使用特定的輸入偏振態進行光柵模擬。。 例如，通過選擇 TE 和 TM 偏振作為兩個正交基態，我們可以對兩種配置獨立執行光柵仿真，然后通過功能區菜單功能手動平均結果（如下所述）。
光柵仿真中的偏振相關分析儀
? 光柵偏振分析儀
– 對于光柵衍射效率計算，VirtualLab Fusion 提供了偏振分析儀，用于研究偏振相關效應。
– 與光柵階次分析器相比，偏振分析器對入射的偏振態有額外的控制。
– 偏振分析儀中的偏振設置獨立于光學設置中的光源設置。
展開 JCMsuite中對二維光柵的定義和仿真
光柵是光衍射的周期性結構。它能把入射的光束衍射成幾束向不同方向發散的光束。
二維光柵
二維光柵在兩個水平方向上都具有周期性。存在兩個晶格矢量因此當幾何結構移位一個晶格矢量時，
下圖顯示了一個正方形晶格和一個六方形晶格的陣列排布：
正方晶格陣列；是正交的
六方晶格陣列；兩個晶格矢量形成一個60°角，且長度相等。
對于仿真，可以限制在一個單元晶胞(原始單元晶胞)上的計算，下圖展示利用JCMsuite對正方形單元晶胞和六方單元晶胞仿真得到的結果：
二維光柵（正方形單元晶胞）被S偏振光照明的場矢量
二維光柵（正方形單元晶胞）被P偏振光照明的場矢量
二維光柵（六方晶胞）被S偏振光照明的場矢量
二維光柵（六方晶胞）被P偏振光照明的場矢量
展開 Ansys Lumerical | 光纖布拉格光柵溫度傳感器的仿真模擬
步驟2:EME-計算光柵的溫度相關透射/反射響應
我們分析了光柵在多個周期內的透射/反射值，模擬區域中只包括光柵的單個周期，但通過使用“周期性”和“波長掃描”特征可以獲得長光柵的寬帶響應。然后，我們掃描溫度，并將傳輸/反射響應導出為S參數，S參數可用于隨后的電路模擬。
布拉格波長與溫度的關系如圖顯示，相對于室溫下的值，其在1.000攝氏度時偏移15.6納米。
還可以得到光柵在給定溫度范圍內的靈敏度。靈敏度定義如下：
考慮到參考文獻中缺乏有關材料的信息，模擬的靈敏度（9.4 pm/℃）與公布的結果(7.2 pm/℃)存在差異。這種差異可能主要來自材料參數的差異，而參考文獻中并未完全提供這些參數。
該腳本還提取與溫度相關的S參數，并將其保存為S參數文件格式（fbg_S_param_T.dat），以便在下一步進行 interconnect 電路模擬。
步驟3：INTERCONNECT-光子電路模擬
使用光學時間調制 S 參數元件將與溫度相關的S參數導入 INTERCONNECT，用于模擬 FBG 溫度傳感器。我們掃描溫度并測量傳感器在不同溫度下的反射光譜。當需要附加 PIC 元件對 FBG 的整體性能的影響時，該電路模型仿真是有用的。
FBG 溫度的電路模擬需要三個要素：
1、光網絡分析儀（ONA），既可作為光源又可作為檢測器。
2、代表 FBG 溫度傳感器的光學時變 S 參數元件。
3、用作溫度控制器并連接到 FBG 溫度傳感器元件的直流電源。
下圖為電路仿真的原理圖設計。按下運行按鈕，模擬將計算溫度傳感器在25°C室溫下的反射光譜。
展開 
Lumerical光纖布拉格光柵溫度傳感器的仿真模擬
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展開 VirtualLab：用于光柵仿真的非偏振光
摘要
光柵等光學設備對光的偏振很敏感。因此，在仿真中正確考慮光的偏振非常重要。在實踐中，光柵有時使用非偏振光作為輸入。我們展示了如何將這種非偏振光建模為兩個正交偏振態的平均值，用于 VirtualLab Fusion 中的光柵仿真。提供了示例來說明軟件中的相應設置。
光柵仿真中的非偏振光
? 光柵分析
– 對于使用傅立葉模態方法 (FMM / RCWA) 的單光柵分析，使用平面波入射來計算
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? 非偏振平面波
– 考慮沿 z 方向的平面波，可以認為非偏振光在統計上可以同時具有任何偏振狀態。
– 可以將任意偏振態投影到兩個正交狀態上；統計上，非偏振光沿著形成這個正交基礎的兩個狀態給出了相等的投影。
– 因此，我們可以以非相干的方式使用兩個正交狀態的平均值來表示非偏振光。
光柵仿真中的光源設置
? 光源偏振態的手動控制
– 光在 VirtualLab Fusion 中始終以矢量形式表示，用戶可以完全控制光源設置中的偏振狀態。
– 遵循基本概念，可以根據非偏振光的需要，使用特定的輸入偏振態進行光柵模擬。。例如，通過選擇 TE 和 TM 偏振作為兩個正交基態，我們可以對兩種配置獨立執行光柵仿真，然后通過功能區菜單功能手動平均結果（如下所述）。
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– 與光柵階次分析器相比，偏振分析器對入射的偏振態有額外的控制。
– 偏振分析儀中的偏振設置獨立于光學設置中的光源設置。
展開 面向光柵薄膜光學性能探究的Rsoft建模與仿真
在本案中由于是2D仿真，所以Y軸方向長度不需要考慮與編輯。設定X軸方向的區域極大值和極小值分別為-period/2和period/2的前提是幾何體的中心x坐標本身設置為0。這樣保證計算區域邊界分布在光柵兩邊。
6. 查看計算結果
本案中仿真求解300~1200nm波段的反射和吸收。仿真計算結束后會自動跳出結果作圖，可在窗口中查看反射率和吸收率。同樣可以將結果進行格式輸出，如圖片或txt等。
后續可根據光譜進行定向光柵結構優化。通常影響光柵減反射效果的因素有材料、光柵常數、薄膜厚度、光柵形貌等。
本案為用戶介紹了利用Rsoft軟件進行簡單的矩形光柵的反射率和吸收率的仿真計算。比起其他數值模擬軟件，Rsoft有著計算速度快，計算結果更加嚴格精確等特點。
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展開 JCMsuite案例展示：閃耀光柵的仿真分析
JCMsuite案例展示
閃耀光柵的仿真分析
這是一維周期線光柵案例的一個變形。它的靈感來自閃耀光柵。在一維線柵的案例中，周期單元晶胞包含通過光柵的二維橫截面。這里的橫截面包含兩個寬度、高度和角度不同的三角形。這些三角形線條位于襯底上，被背景材料包圍。示例中的材料選擇為鉻(線柵)、玻璃(基底)和空氣(背景材料)。
光柵被S和P偏振平面波照亮。JCMsuite計算近場分布。下圖顯示了當波長為193nm時，平面波從襯底側垂直入射到結構內的近場強度
S偏振光照明的近場強度
P偏振光照明的近場強度
后處理傅里葉變換計算透射衍射級次的振幅。
參數掃描
Matlab?腳本data_analysis/run_scan_illumination.m提供對入射角的掃描。它產生了以下圖表，顯示了反射和透射衍射級次的強度:
在腳本data_analysis/run_scan_height.m中,在一個固定的照明角度下，其中一條三角形線的高度從50nm增至120nm。這將產生以下高度依賴關系
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