偏振分束器設計的案例
OptiFDTD應用：偏振分束器
偏振分束器的仿真采用三維時域有限差分法（OptiFDTD），工作波長為 1550nm。在三維 OptiFDTD 中，通過有限元法（FEM）求解器進行精確的模式分析，以獲取光源注入的光模式分布（有限元法通用求解器的設置詳見表 1）。偏振分束器的三維模型分為三個部分：輸入區、耦合區和分離區，所有區域均位于 SOI 平臺上（結構的幾何參數詳情見圖 1、圖 2 及表 2）。
2、仿真
基于絕緣體上硅（SOI）平臺，利用定向耦合器可實現緊湊且高效的偏振分束器（PBS）。本文對一種集成亞波長光柵（SWG）波導與槽型波導的偏振分束器進行了仿真[1]。該設計借助亞波長光柵波導和槽型波導的獨特特性，在小尺寸范圍內實現基于偏振的光束分離。偏振分束器的直通路徑采用亞波長光柵波導，交叉路徑采用槽型波導。亞波長光柵波導由周期性亞波長結構構成，其有效折射率可實現精細調控。在本設計中，亞波長光柵波導作為橫電（TE）偏振光的直通波導，使其傳播時與槽型波導的耦合程度極低；同時，它支持橫磁（TM）偏振光寬頻耦合至槽型波導。此外，亞波長光柵波導中的錐形過渡結構可最大限度減少其與條形波導界面處的反射，保證高效耦合。槽型波導由兩個間距緊密的硅側壁及狹窄的二氧化硅間隙組成，這種結構使 TE 偏振的電場被強烈限制在低折射率的間隙內，而 TM 偏振在槽型波導中的場分布則與條形波導相似。亞波長光柵的尺寸經過定制，僅使 TM 偏振實現條形波導（直通路徑）與槽型波導（交叉路徑）之間的模式匹配，從而實現從直通路徑到交叉路徑的高效耦合，完成偏振選擇性的能量傳輸。
展開 [Optiwave] OptiFDTD應用：偏振分束器
1、偏振分束器
基于絕緣體上硅（SOI）平臺，利用定向耦合器可實現緊湊且高效的偏振分束器（PBS）。本文對一種集成亞波長光柵（SWG）波導與槽型波導的偏振分束器進行了仿真[1]。該設計借助亞波長光柵波導和槽型波導的獨特特性，在小尺寸范圍內實現基于偏振的光束分離。偏振分束器的直通路徑采用亞波長光柵波導，交叉路徑采用槽型波導。亞波長光柵波導由周期性亞波長結構構成，其有效折射率可實現精細調控。在本設計中，亞波長光柵波導作為橫電（TE）偏振光的直通波導，使其傳播時與槽型波導的耦合程度極低；同時，它支持橫磁（TM）偏振光寬頻耦合至槽型波導。此外，亞波長光柵波導中的錐形過渡結構可最大限度減少其與條形波導界面處的反射，保證高效耦合。槽型波導由兩個間距緊密的硅側壁及狹窄的二氧化硅間隙組成，這種結構使 TE 偏振的電場被強烈限制在低折射率的間隙內，而 TM 偏振在槽型波導中的場分布則與條形波導相似。亞波長光柵的尺寸經過定制，僅使 TM 偏振實現條形波導（直通路徑）與槽型波導（交叉路徑）之間的模式匹配，從而實現從直通路徑到交叉路徑的高效耦合，完成偏振選擇性的能量傳輸。
2、仿真
偏振分束器的仿真采用三維時域有限差分法（OptiFDTD），工作波長為 1550nm。在三維 OptiFDTD 中，通過有限元法（FEM）求解器進行精確的模式分析，以獲取光源注入的光模式分布（有限元法通用求解器的設置詳見表 1）。偏振分束器的三維模型分為三個部分：輸入區、耦合區和分離區，所有區域均位于 SOI 平臺上（結構的幾何參數詳情見圖 1、圖 2 及表 2）。
展開 Techwiz LCD ：偏振分束器
考慮到偏振光的變化狀態，應選擇PBS功能來獲得結果，因為一般來說LCOS的內部有一個反射器、一個四分之一波片和多個分光器。
a)PBS結構
b) 反射率隨光軸角度的變化
Techwiz LCD ：偏振分束器
考慮到偏振光的變化狀態，應選擇PBS功能來獲得結果，因為一般來說LCOS的內部有一個反射器、一個四分之一波片和多個分光器。
a)PBS結構
b) 反射率隨光軸角度的變化
具有多孔光纖的偏振分束器
采用矢量有限元法
應用
? 無源光學
? 單偏振傳輸
? 偏振分束器
? 光子晶體光纖
? 偏振復用
? 色散控制
綜述
設計了一種橢圓-纖芯-圓孔的多孔光纖(EC-CHFs)用于單偏振傳輸[1]。與傳統的圓孔-纖芯-圓孔光纖(CC-CHF)一起，偏振分離器可以將入射CC-CHF的光耦合到支持x偏振模式或y偏振模式的EC-CHF，如下圖所示。
腳本系統生成
優點：
? 矢量有限元法(VFEM)在計算所有電磁場分量和近似幾何方面具有極高的精度，在光子晶體光纖中具有極其重要的意義
? 單軸完美匹配層（UPML）可用于查找泄漏模式。
? 三角形網格大小可用于精確近似電磁場和波導幾何形狀。
? 針對具有一定對稱性的模態，利用波導的對稱性，可以縮小仿真域。
仿真描述
參考文獻[1]的目的是設計一個具有偏振分束器。分束器由3個分離的多孔光纖組成。兩個外孔光纖各自提供一個偏振，而中心結構支持兩個偏振。入射光將根據偏振，選擇性地與任何一種外孔光纖耦合。
第一步是相位匹配每個結構的模式，以減少反射[1]。不同的結構必須具有某些共同的性質，如間距和包層原子。在每個結構的纖芯內都有大小和形狀自由選擇的孔。
圖1：各類型芯徑的磁場分布。(a) yEC-CHF, (b) xEC-CHF, (c) CC-CHF
利用[1]中給出的特性，利用OptiMode計算三個不同核的模態指數，記錄在表1中。
展開 高數值孔徑衍射分束器設計
總結
? VirtualLab Fusion 可用于設計高數值孔徑衍射分束器和擴散器
? 模塊Mod014可用于補償產生的點圖變形和強度調制。
? 值得注意的是，余下的強度調制是由于利用IFTA設計的最終衍射元件存在的一致性誤差導致的。
? 此外，高數值孔徑分束器衍射元件的特征尺寸是波長量級。因此我們推薦使用傅里葉模態法(FMM)對此案例中所獲得的結構進行一個嚴格的分析和更進一步的優化。詳細信息可查閱案例570。
非傍軸衍射分束器的設計與嚴格分析
摘要
非傍軸衍射光束分束器的直接設計仍然是一個挑戰。由于衍射角度相當大，元件的特征尺寸與光的波長相近。因此，通常使用的傍軸建模方法變得不準確，需要嚴格的技術。因此，在這個例子中，迭代傅里葉變換算法（IFTA）和薄元件近似（TEA）被用于衍射光學元件（DOE）的初步設計，并且之后使用傅里葉模式方法（FMM）也稱為嚴格耦合波分析（RCWA）進行嚴格的性能評估，包括在高度變化的情況下對優點函數變化的研究。
任務
? 使用傍軸近似（TEA）進行衍射1:7×7光束分束器的初步設計，用于結構設計部分。
? 使用嚴格分析（FMM/RCWA）對性能進行分析和進一步優化，以提高均勻性并評估零階的影響。
展開 非近軸衍射分束器的設計與嚴格分析
直接設計非近軸衍射分束器仍然是很困難的。由于有相對較大的分束角，元件的特征尺寸一般等于或小于工作波長。因此，它通常超出近軸建模方法的范圍。在此示例中，將迭代傅里葉變換算法（IFTA）和薄元件近似（TEA）用于衍射元結構的初始設計，然后將傅里葉模態法（FMM）應用于嚴格的性能評估。
摘要
非傍軸衍射分束器的設計與嚴格分析
摘要
非傍軸衍射光束分束器的直接設計仍然是一個挑戰。由于衍射角度相當大，元件的特征尺寸與光的波長相近。因此，通常使用的傍軸建模方法變得不準確，需要嚴格的技術。因此，在這個例子中，迭代傅里葉變換算法（IFTA）和薄元件近似（TEA）被用于衍射光學元件（DOE）的初步設計，并且之后使用傅里葉模式方法（FMM）也稱為嚴格耦合波分析（RCWA）進行嚴格的性能評估，包括在高度變化的情況下對優點函數變化的研究。
任務
? 使用傍軸近似（TEA）進行衍射1:7×7光束分束器的初步設計，用于結構設計部分。
? 使用嚴格分析（FMM/RCWA）對性能進行分析和進一步優化，以提高均勻性并評估零階的影響。
展開 非近軸衍射分束器的設計與嚴格分析
摘要
直接設計非近軸衍射分束器仍然是很困難的。由于有相對較大的分束角，元件的特征尺寸一般等于或小于工作波長。因此，它通常超出近軸建模方法的范圍。在此示例中，將迭代傅里葉變換算法（IFTA）和薄元件近似（TEA）用于衍射元結構的初始設計，然后將傅里葉模態法（FMM）應用于嚴格的性能評估。
設計任務
純相位傳輸的設計
使用迭代傅立葉變換算法（IFTA）進行純相位傳輸設計。
結構設計
在近軸假設下使用薄元近似（TEA）進行結構設計。
使用TEA進行性能評估
在近軸假設下使用TEA進行評估，即與設計方法相同
使用傅里葉模態法進行性能評估
使用嚴格的FMM進行評估以檢查非近軸情況下的實際性能。
進一步優化–零階調整
無需任何假設即可使用FMM直接進行結構優化。
進一步優化–零階調整
無需任何假設即可使用FMM直接進行結構優化。
展開 非近軸衍射分束器的設計與優化
衍射分束器能夠通過預先設置的功率比值將單束激光分割成多束，廣泛應用于激光材料加工和光學計量等領域。但是由于非近軸、高數值孔徑分束和衍射角所需的特征尺寸較小，這種器件的設計和優化可能具有難度。VirtualLab Fusion為光學工程師提供了幾個工具來幫助他們完成這項任務。
為了說明一般工作流程，我們展示了兩個案例：在第一個案例中，我們采用迭代傅里葉變換算法(IFTA)和基于薄元近似（TEA）的結構設計生成一系列分束器的初始設計，然后通過傅里葉模態法或嚴格耦合波分析(FMM/RCWA)進一步優化。為了給最后一個優化步驟定義一個合適和有效的優化函數，應用了可編程光柵分析器。第二個示例更詳細地介紹了這一部分。
非近軸衍射分束器的嚴格分析
采用傅里葉模態法(FMM)對非近軸衍射分束器進行了嚴格的評價，該方法最初采用迭代傅里葉變換算法(IFTA)和薄元近似算法(TEA)進行設計。
高數值孔徑分束器優化與用戶定義的優化函數
這個應用案例演示了如何定義和使用用戶自定義優化函數，用于評估和優化衍射高數值孔徑分束器的衍射級次效率。
展開 
非近軸衍射分束器的設計與嚴格分析
摘要
直接設計非近軸衍射分束器仍然是很困難的。由于有相對較大的分束角，元件的特征尺寸一般等于或小于工作波長。因此，它通常超出近軸建模方法的范圍。在此示例中，將迭代傅里葉變換算法（IFTA）和薄元件近似（TEA）用于衍射元結構的初始設計，然后將傅里葉模態法（FMM）應用于嚴格的性能評估。
設計任務
純相位傳輸的設計
使用迭代傅立葉變換算法（IFTA）進行純相位傳輸設計。
結構設計
在近軸假設下使用薄元近似（TEA）進行結構設計。
使用TEA進行性能評估
在近軸假設下使用TEA進行評估，即與設計方法相同
使用傅里葉模態法進行性能評估
使用嚴格的FMM進行評估以檢查非近軸情況下的實際性能。
進一步優化–零階調整
無需任何假設即可使用FMM直接進行結構優化。
進一步優化–零階調整
無需任何假設即可使用FMM直接進行結構優化。
展開 VirtualLab：非傍軸衍射分束器的設計與嚴格分析
摘要
非傍軸衍射光束分束器的直接設計仍然是一個挑戰。由于衍射角度相當大，元件的特征尺寸與光的波長相近。因此，通常使用的傍軸建模方法變得不準確，需要嚴格的技術。因此，在這個例子中，迭代傅里葉變換算法（IFTA）和薄元件近似（TEA）被用于衍射光學元件（DOE）的初步設計，并且之后使用傅里葉模式方法（FMM）也稱為嚴格耦合波分析（RCWA）進行嚴格的性能評估，包括在高度變化的情況下對優點函數變化的研究。
任務
? 使用傍軸近似（TEA）進行衍射1:7×7光束分束器的初步設計，用于結構設計部分。
? 使用嚴格分析（FMM/RCWA）對性能進行分析和進一步優化，以提高均勻性并評估零階的影響。
模擬與設置：工具簡介與整體流程概覽
連接建模技術：衍射光束分束器
通過配置助手和IFTA進行相位設計
將傳輸函數轉化為結構
衍射光束分束器表面
衍射光束求解器 - TEA & FMM
光柵級數 & 可編程光柵分析器
設計與評估結果：
? 相位函數設計
? 結構設計
? TEA 評估
? FMM 評估
? 高度縮放檢查（用于優化/容限）
僅相位傳輸設計
結構設計
使用TEA進行性能評估
使用FMM進行性能評估
進一步的分析（優化后，容差分析）
進一步優化 - 調整設計#1的零階
進一步優化 - 調整設計#2的零階
進一步優化 - 調整設計#3的零階
展開 VirtualLab：非傍軸衍射分束器的設計與嚴格分析
摘要
非傍軸衍射光束分束器的直接設計仍然是一個挑戰。由于衍射角度相當大，元件的特征尺寸與光的波長相近。因此，通常使用的傍軸建模方法變得不準確，需要嚴格的技術。因此，在這個例子中，迭代傅里葉變換算法（IFTA）和薄元件近似（TEA）被用于衍射光學元件（DOE）的初步設計，并且之后使用傅里葉模式方法（FMM）也稱為嚴格耦合波分析（RCWA）進行嚴格的性能評估，包括在高度變化的情況下對優點函數變化的研究。
任務
? 使用傍軸近似（TEA）進行衍射1:7×7光束分束器的初步設計，用于結構設計部分。
? 使用嚴格分析（FMM/RCWA）對性能進行分析和進一步優化，以提高均勻性并評估零階的影響。
展開 [VirtualLab] 非傍軸衍射分束器的設計與嚴格分析
摘要
非傍軸衍射光束分束器的直接設計仍然是一個挑戰。由于衍射角度相當大，元件的特征尺寸與光的波長相近。因此，通常使用的傍軸建模方法變得不準確，需要嚴格的技術。因此，在這個例子中，迭代傅里葉變換算法（IFTA）和薄元件近似（TEA）被用于衍射光學元件（DOE）的初步設計，并且之后使用傅里葉模式方法（FMM）也稱為嚴格耦合波分析（RCWA）進行嚴格的性能評估，包括在高度變化的情況下對優點函數變化的研究。
任務
? 使用傍軸近似（TEA）進行衍射1:7×7光束分束器的初步設計，用于結構設計部分。
? 使用嚴格分析（FMM/RCWA）對性能進行分析和進一步優化，以提高均勻性并評估零階的影響。
模擬與設置：工具簡介與整體流程概覽
連接建模技術：衍射光束分束器
通過配置助手和IFTA進行相位設計
將傳輸函數轉化為結構
衍射光束分束器表面
衍射光束求解器 - TEA & FMM
光柵級數 & 可編程光柵分析器
設計與評估結果：
? 相位函數設計
? 結構設計
? TEA 評估
? FMM 評估
? 高度縮放檢查（用于優化/容限）
僅相位傳輸設計
結構設計
使用TEA進行性能評估
使用FMM進行性能評估
進一步的分析（優化后，容差分析）
進一步優化 - 調整設計#1的零階
進一步優化 - 調整設計#2的零階
進一步優化 - 調整設計#3的零階
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