光柵光波導設計的案例
AR光波導：空間漸變光柵設計
簡介
此前，OpticStudio 為一維光柵仿真提供了一維 RCWA 插件。本文介紹了一種類似但功能強大得多的工作流程，該流程基于 Zemax OpticStudio 與 Lumerical RCWA 之間的動態鏈接。
在這一工作流程中，設計人員在 Zemax OpticStudio 中構建宏觀光學系統，并在 Lumerical 中構建光柵的微結構。兩款軟件中的仿真可無縫連接。在 Zemax OpticStudio 的光線追跡過程中，如果某條光線打到光柵上，系統會自動調用 Lumerical RCWA 來求解電磁場響應，并返回相應數據。
該工作流程具有以下幾個優勢：
1.復雜的一維/二維光柵建模：借助強大的幾何編輯器，用戶可以輕松構建并仿真任意的一維或二維光柵。
2.快速原型設計：Lumerical 中的參數會暴露給 OpticStudio。在 OpticStudio 中所做的任何修改，都可以自動觸發 Lumerical 針對新的光柵結構計算更新后的數據，并返回新結果，無需進行數據導入和導出。
3.優化能力：用戶可以在 Lumerical 中方便地定義自定義參數化模型，并結合整個系統的性能對光柵形狀進行優化。
4.光柵結構的導入與導出：該工作流程支持以 STEP、STL 和 GDS II 文件格式對光柵幾何結構進行標準導入與導出。
5.空間變化：用戶可以定義光柵參數在光柵不同位置處的變化方式。
1.1 靜態工作流程與動態工作流程
值得一提的是，目前 Lumerical 與 OpticStudio 之間已有兩種數據交換工作流程。其中一種是本文將要介紹的動態工作流程；另一種是以不同方式運行的靜態工作流程。這兩種工作流程在靈活性方面各有特點，并不存在絕對優劣之分。
展開 光波導上的光柵分析和平滑調制光柵參數
4.打開足跡和光柵分析工具并設置光學裝置
5.足跡和光柵分析工具
6.光柵參數和相關范圍的選擇
?可以同時改變一個或兩個光柵參數。
?參數空間的采樣可以相對粗略，因為隨后將在計算點之間應用插值技術。
?該表列出了光柵的所有可用參數。對于在一個區域內引入調制光柵參數，不允許使用改變光路的參數（如周期等）。
7.查找表的計算
在配置所需的光柵參數變化后，可以通過單擊計算查找表來計算生成的光柵特性并將其存儲在查找表中。
查找表是針對在足跡和光柵分析工具的第一步中確定的光柵參數和 FOV 模式的定義變化計算的。
展開 VirtualLab：光波導上的光柵分析和平滑調制光柵參數
打開足跡和光柵分析工具并設置光學裝置
5. 足跡和光柵分析工具
6. 光柵參數和相關范圍的選擇
? 可以同時改變一個或兩個光柵參數。
? 參數空間的采樣可以相對粗略，因為隨后將在計算點之間應用插值技術。
? 該表列出了光柵的所有可用參數。對于在一個區域內引入調制光柵參數，不允許使用改變光路的參數（如周期等）。
7. 查找表的計算
在配置所需的光柵參數變化后，可以通過單擊計算查找表來計算生成的光柵特性并將其存儲在查找表中。
查找表是針對在足跡和光柵分析工具的第一步中確定的光柵參數和 FOV 模式的定義變化計算的。查找表會自動保存到指定文件夾：
8. 光柵性能的研究
9. 從查找表加載瑞利矩陣
10. 更新光學系統的產生
11. 光柵調制配置
12. 基于采樣位置或網格的調制
13. 基于解析描述的調制
14. 基于數學描述的調制
文件信息
展開 用于光波導耦合的傾斜光柵的分析
衍射效率與變化的入射角
光柵衍射效率通常受入射角影響較大。
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。
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 用于光波導耦合的傾斜光柵的分析
摘要
因為傾斜光柵在特定衍射級中具有高效率，故通常被用于將光耦合到光學光波導中。 如今，它們經常應用于增強和混合現實應用中。 本案將展示如何使用VirtualLab Fusion對文獻中的某些傾斜光柵的幾何形狀，具體參數如傾斜角度，填充因子和調制深度進行分析。 此外，本案例還研究了不同入射角對衍射效率的影響。
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 光波導的足跡和光柵分析
快速物理光學軟件 VirtualLab Fusion 的光導工具箱提供了一系列工具，可幫助光學工程師處理涉及增強和混合現實應用的光導設備設計過程的許多不同階段。在我們最近的通訊中，我們已經介紹了一些有助于確定光導及其光柵區域充分布局的特性。
今天，我們轉向用于光導中光柵的最強大的系統設計工具之一：足跡和光柵分析工具。在它的許多功能中，不限于任何特定的布局，例如，它可以幫助可視化不同視場模式下的光束足跡與光柵區域的相互作用——這是一個重要的研究，考慮到光在光導內的復雜傳播。但最引人注目的是它能夠對光柵行為進行分析，然后可以用來配置單個光柵區域內光柵參數的平滑變化，以提高器件在均勻性和效率方面的性能。
用于AR/MR應用的光導足跡分析
足跡和光柵分析工具允許光學設計師確定光將如何與光導的各種光柵區域相互作用。
光導的光柵分析與光柵參數的平滑調制
在本案例中，通過使用VirtualLab的足跡和光柵分析工具，將平滑變化的光柵參數引入到用于AR/MR應用的光導光柵區域。該工具還可以詳細研究特定光柵結構的偏振相關的衍射效率。
展開 VirtualLab：具有連續調制光柵區域的光波導優化
這個例子取自：
? 構建光波導 [用例]
? 光波導布局設計工具 [用例]
配置光柵區域的真實光柵結構，這是應用光柵參數連續或平滑變化之前的必要步驟：
? 如何設置具有真實光柵結構的光波導 [用例]
? 使用真實光柵模擬一維-一維瞳孔擴展器 [用例]
足跡和光柵分析工具用于指定光柵參數變化的所需范圍，并針對特定條件（波長和方向）預先計算相應的瑞利系數。下一步，生成光學設置，其中可以定義平滑參數變化：
? AR/MR 應用光波導的足跡分析 [用例]
? 光波導上的光柵分析和平滑調制的光柵參數 [用例]
注意：
光柵調制是針對各個光柵區域定義的。
足跡和光柵分析
在足跡和光柵分析工具的幫助下，光柵特性（復值）被預先計算并存儲在查找表中，用于選定參數的指定范圍（例如填充因子）。根據可用的效率調制范圍選擇填充因子的初始范圍。更多信息可參見：
光柵分析和在光波導上的平滑調制光柵參數
初始系統的生成
? 具有所謂光柵參數調制功能的光波導設置由足跡和光柵分析工具生成（包括光柵特性）。
? Uniformity Detector 用于定義優化的評價函數。
定義光柵區域的調制函數
? 打開光波導組件中區域的編輯對話框；光柵特性
并且查找表存儲在光柵區域中。
? 編輯光柵參數調制功能，使其定義為可編程功能，光柵參數的預期線性調制由開始和結束位置的值定義（EPE 從左到右邊界，耦出合從上到下）。
展開 VirtualLab：具有連續調制光柵區域的光波導化
摘要
在增強現實和混合現實應用 (AR & MR) 領域的波導光學器件設計過程中，橫向均勻性（每個視場模式）和整體效率是兩個最重要的評價函數。為了在光波導系統中獲得適當的均勻性和效率值，有必要允許光柵參數的變化，特別是在光瞳擴展區域和/或耦出區域中。為此，VirtualLab Fusion 能夠在光柵區域中引入平滑變化的光柵參數，并提供必要的工具來根據定義的評價函數運行優化。此用例展示了如何使用連續變化的填充因子值優化波導來獲得足夠的均勻性。
任務描述
光波導組件
使用波導組件，可以輕松定義具有復雜形狀區域的波導系統。此外，這些區域可以配備理想化或真實的光柵結構，以充當耦入元件、耦出元件或出瞳擴展元件。更多信息請見：
波導的構造
光柵區域
對于耦入元件、耦出元件和眼瞳擴展元件 (EPE)，使用了真實光柵。他們的瑞利矩陣和相應的效率是用 FMM (RCWA) 嚴格計算的。您可以在以下位置找到有關如何設置的更多信息：
如何使用真實光柵結構設置一個波導
均勻性探測器
均勻性探測器評估局部區域內（稱為光瞳）的能量強度。每個光瞳由其大小定義(???? × ????) ，其可以設置為橢圓形或矩形。
您可以下方鏈接找到有關如何設置的信息：
用于波導系統的均勻性探測器
總結-組件
帶有附加指南的一般工作流程
1. 基本光學波導設置的配置（不屬于此用例的一部分）
2. 光束步跡和光柵分析工具的應用，包括生成滿足參數調制所有要求的光學設置
3. 光柵參數所需調制的定義
4. 選擇變量并定義評價函數以優化調制光柵參數。
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 VirtualLab Fusion 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 [VirtualLab] 用于光波導耦合的傾斜光柵的分析
衍射效率與變化的入射角
光柵衍射效率通常受入射角影響較大。
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。
