光波導設計的案例
AR衍射光波導設計遇瓶頸，OAS 光學軟件來破局
AR 衍射光波導的設計仿真與分析
簡介
目前 AR 衍射光波導發展迅速，對于衍射光波導的設計與仿真也在整體設計中起到重要的作用。本文重點介紹國產光學軟件 OAS (Optical Advanced Software) 對 AR 衍射光波導的設計與仿真分析，可以同時分析宏觀的幾何光線追跡和微觀衍射光柵的跨尺度仿真，分析整體系統的傳輸效率及成像效果。
1.AR 衍射光波導系統
下圖為 AR 衍射光波導系統的結構視圖，包括一維光柵光波導和二維光柵光波導，從波導的法向方向查看，對于一維光柵波導，入射光通過耦入光柵耦入進波導進行全反射的傳播，然后通過轉向光柵改變光在波導中的傳播方向并進行擴瞳，最后通過耦出光柵將波導的光耦出到人眼并進行成像。對于二維光柵波導結構，由于二維光柵的衍射特性，可以同時起到耦出和擴瞳的作用，因此該結構可以只使用兩個光柵來進行波導的設計，可以進一步縮小波導的體積，便于集成化的設計。
圖1.1 衍射光波導系統結構視圖（波導法向視圖）。(a) L型三分區一維光柵波導；(b) 二維光柵波導
2.光柵設計
AR 設計中不同光柵的作用不同，相對的，光柵的工作級次和周期等參數也有所不同。光柵對入射光波長的敏感性，不同參數下對應的光柵工作級次的衍射效率等都是需要考慮的指標。下述為常見光柵設計的方法。
對于工作波長450nm的藍光，光源介質為空氣入射到光柵上，光柵基底材料為熔融石英，考慮其透射+1級的衍射效率。對于如下所示的鋸齒光柵。
圖2.1 鋸齒光柵結構示意圖
對于這樣的一個初始結構的選擇，可以在 OAS 軟件中進行相應的建模和仿真。確定入射光的波長和方向（入射角為0°），鋸齒光柵的初始結構，周期350nm，最后便是對軟件中探測器的建立，整體的光柵系統用于分析光柵的性能。
展開 國產光學軟件突破 | 3D可視化衍射光波導仿真
目前，該成果已以相關論文形式發表于國產核心期刊《中國光學》第 18 卷第 4 期，相關光波導模塊已正式嵌入武漢二元科技有限公司的 OAS（Optical Advanced Software）軟件。
（a）投影光機系統布局（b）投影光學系統的MTF（來自原文）
OAS 光學軟件的光波導設計功能非常便捷，該功能將構建更為高效、精準的設計流程，進一步推動光學領域的發展。目前軟件已在光波導設計中展現卓越效能，為科研人員和工程師提供技術保障。
光波導設計“避坑指南”：90%工程師踩過的坑，OAS光學軟件提前規避
什么是光波導設計 的“坑”？
光波導作為 AR/VR 顯示、光通信、光子集成芯片等領域的核心光學組件，正驅動下一代光電產業的技術革新。但從設計到量產的全流程中，跨尺度物理建模、多物理場耦合、光柵參數優化、雜散光抑制等核心難題，讓大多的光學工程師反復陷入設計陷阱。
當前主流光學軟件在光波導場景下存在顯著功能短板，而行業高速擴張的需求與設計工具的滯后性形成尖銳矛盾。
01/光波導高速擴張與技術瓶頸并存
全球光波導市場進入高速增長期，2025 年市場規模突破120 億美元，年復合增長率超18%；中國市場占比近40%，成為全球核心增長極。核心應用場景包括：
? AR/VR 顯示（主力）：消費級 AR 眼鏡滲透率超25%，衍射光波導因輕薄、高透光率、量產友好，成為主流方案，代表產品包括 HoloLens 2、Magic Leap 2及國產AI眼鏡。
? 光通信與光子集成：硅基光波導用于光開關、分束器、波分復用器，支撐數據中心光互連、800G/1.6T光模塊升級。
? 其他領域：醫療內窺鏡（聚合物光波導）、激光雷達、工業檢測、汽車 HUD，市場需求持續擴容。
盡管產業快速發展，仍存在四大技術瓶頸：
? 光效 - 視場 - 輕薄 “不可能三角”：提升視場角（>60°）則光效驟降，追求超薄則工藝難度飆升。
? 全彩化難題：光柵色散導致 RGB 三色光耦合效率不均，色偏、彩虹效應難以根除。
? 量產良率低：納米級光柵對基底平整度、潔凈度要求極高，大尺寸鏡片良率僅50-70%。
? 成本偏高：高端材料與設備依賴進口，消費級 AR 眼鏡價格仍超2000 元，普及受限。
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 
光通信設計軟件——OptiBPM 光波導設計軟件
OptiBPM 是一套用于設計復雜光波導的計算機輔助設計軟件，他功能強大、用戶友好，可仿真光器件中光信號的傳導、耦合、開關、分束、復用和解復用，讓您在計算機上創建各種光纖波導設計。
OptiBPM是基于光束傳播法(BPM)，對光通過任何波導介質進行仿真，無論是各向同性還是各向異性介質。使用OptiBPM用戶可以在考察近場分布的同時驗證發散場和波導場。
OptiBPM可以提高工程師的工作效率，減少設計風險，并降低與波導器件設計相關的整體成本。
OptiBPM可以模擬二維（2D）和三維（3D）波導器件中的光傳播。
2D區域是：
· X方向（垂直）-橫向
· Z方向（水平）-傳播方向
3D區域是：
· X方向（垂直）-橫向
· Y方向-深度
· Z方向（水平）-傳播方向
注：模擬器件在橫向尺寸上具有階梯狀的有效折射率分布。
要從真實的3D器件獲取二維器件，要應用有效折射率方法。從3D到2D的縮減包含用一維橫截面替換器件的二維橫截面。用一維有效折射率分布代替實際折射率截面。雖然有效折射率法是一種近似解，但它適用于許多器件。BPM 3D提供了階躍折射率波導設計所需的所有工具。在BPM 3D中，輸入建模數據，這些數據由折射率分布、起始傳播場和一組數值參數組成。折射率分布由項目布局中列出的波導結構提供。起始場可以是波導模式、高斯場、矩形場或用戶自定義場。起始場和其他模擬參數在Global Data對話框中指定，該對話框通過Simulation菜單訪問。
數值模擬
OptiBPM處理環境包含光束傳播方法（BPM）作為其核心元素，以及與BPM算法兼容的模式求解器。BPM基于控制介電質中光傳播的方程的數值解。BPM考慮單色信號，并與求解亥姆霍茲方程有關。
展開 AR 一拖二光波導雙目分離難實現？OAS 雙耦入光柵來助力
傳統波導系統中未被利用的0級透射光，在該方案中被傾斜光柵重新耦轉至另一眼路，從而顯著提高系統光能利用率。
06/總結
OAS 光學軟件一拖二波導案例，通過創新“雙耦入光柵”分光方案破解了單光機 AR 系統一拖二架構的核心痛點，凸顯 OAS 光學軟件的核心優勢：其可精準設計雙光柵協同結構，在有限波導尺寸內實現雙目能量分離與低串擾，同時通過0級透射光復用設計大幅提升光能利用率，為該架構落地提供了高效可行的技術支撐，彰顯了其在 AR 光波導設計領域的專業性。
展開 AR/VR衍射光波導性能提升遇阻？OAS光學軟件有方法
衍射波導準直系統設計案例
簡介
在現代光學顯示技術中，衍射光波導系統因其獨特的光學性能和緊湊的結構設計，在增強現實（AR）、虛擬現實（VR）等領域展現出巨大的應用潛力。本案例聚焦于衍射波導準直系統，旨在通過 OAS 光學軟件深入探究其光學性能，為系統的優化設計提供有力依據。
OAS 軟件在案例中的應用
光波導設計
利用OAS的布局設置，更改光波導的需求參數，OAS可以直接生成相應初始光波導結構，包含光源、耦入光柵、耦出光柵、轉向光柵、眼盒等。設置好入射光的波長，光線尺寸等光線信息，光源到光波導的距離、視場、入射光介質、眼盒的尺寸、光波導材料，耦入耦出光柵的方向周期等等一系列參數，能夠通過內部算法計算得出。后續還有K空間可視化、光柵足跡分析、結果查看、PSF/MTF分析等。
光線追跡分析
利用 OAS 光學軟件對該衍射光波導系統進行光線追跡模擬。如圖所示，在完成光線追跡后，清晰展示了光線在整個系統中的傳播軌跡，包括從光源發出，經過一系列光學組件，最終進入衍射光波導部分的全過程。這一過程幫助研究人員準確把握光線走向，為后續分析奠定基礎。
像面輻照度分布分析
OAS 軟件進一步對像面的輻照度分布進行分析，結果以對數（lg）形式呈現于圖中。輻照度分布反映了像面上不同位置接收到的光能量密度。通過對像面輻照度分布的分析，能夠清晰了解系統成像的均勻性以及能量分布情況。
案例結果分析
雜散光現象
在輻照度圖上，可觀察到存在少量雜散光。雜散光的出現會降低系統成像的對比度和清晰度，對系統的性能產生不利影響。因此，準確識別雜散光來源并加以解決是優化光學系統的重要環節。
雜散光來源剖析
經深入分析，這些雜散光主要來源于透鏡準直系統。
展開 回顧 | 使用 Zemax OpticStudio 設計AR衍射光波導（領取視頻）
2022年4月6日下午，由武漢宇熠與 Ansys Zemax 聯合舉辦的“使用 Zemax OpticStudio 設計AR衍射光波導”線上研討會圓滿結束。
本次研討會的主講老師是來自 Ansys Zemax 的高級應用工程師——谷晨風。老師針對大家關心的 Zemax OpticStudio 在這兩類衍射光波導課題上可提供的解決方案進行了介紹，也對大家常常涉及到的問題進行了解答。
本次研討會讓主講老師與參會人員進行了深入的對話與交流，增進了對會議主題的深刻認識，也對如何使用 Zemax OpticStudio 設計AR衍射光波導有了更深的理解和思考。
以下是谷晨風老師針對小伙伴們提出的問題做出的部分回答！
Q
請問有用 OptiSLang 優化整個光波導系統的案例嗎？
A
這個問題，問的很好，我稍微介紹一下我們目前的一些策略。Ansys 旗下三款主要的光學產品是 Lumerical 負責微納波動光學，Zemax 主要是幾何光學也有涉及到衍射和物理光學等等。另外就是 Speos，它可以承擔后端的非序列追跡任務和環境渲染，人眼響應的系統級仿真。
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：AR和MR光波導器件耦合光柵的優化
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。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。
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。
在下面的例子中，您可以看到這些工具中的一些發揮作用：
連續調制光柵區域光波導的優化
本例演示了如何通過EPE和外耦合器區域連續變化的光柵占空因子來優化光波導，以實現眼動范圍內足夠的橫向均勻性。
單入射方向光波導耦合光柵的優化
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 
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 AR和MR光波導器件耦合光柵的優化
在之前的通訊中，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。
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。 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。 在下面的例子中，您可以看到這些工具中的一些發揮作用：
連續調制光柵區域光波導的優化
本例演示了如何通過EPE和外耦合器區域連續變化的光柵占空因子來優化光波導，以實現眼動范圍內足夠的橫向均勻性。
單入射方向光波導耦合光柵的優化
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 AR光波導：空間漸變光柵設計
RCWA 對象中 excitation（入射光） 的全部設置。這些設置將基于 OpticStudio 中入射光線的數據自動確定。
RCWA 對象中的 k 空間離散化（k-space discretization） 設置。關于這一點，請參見下文 “Max Order” 的說明。
A.7 如何修改 x/y 方向網格
我們無法直接編輯 x/y 方向的網格，而且通常也沒有必要修改 x/y 方向的網格。不過，如果用戶確實希望改變網格尺寸，那么這些數值實際上是由 k 矢量域（k vector domains） 的數量自動決定的。如果用戶增加 k 的數量，那么網格數量也會隨之增加。
A.8 如何在光柵中支持色散（折射率隨波長變化）
如下圖所示，本文提供的示例 .fsp 文件，例如 lswm_2D_hex_cylinder_221210.fsp，其設計方式是讓用戶能夠精確指定柱體的折射率，并且該折射率不隨波長變化。
不過，用戶也可以對這些 .fsp 文件進行修改，使折射率能夠根據波長自動變化。下面給出實現這一修改的簡要說明。
1.首先，需要從 topcell 對象中刪除對應的屬性，例如 “p4_pillar_index”。
2.然后，需要從 topcell 的腳本中刪除相關代碼。
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 