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使用Ansys Lumerical FDTD軟件中的嚴(yán)格耦合波分析（RCWA）求解器，對2D刻劃光柵的透射特性進(jìn)行仿真體積全息光柵是通過在感光材料中記錄全息圖案制造而成的。首先，感光材料（即聚合物或玻璃）暴露于由兩個相干激光束產(chǎn)生的干涉圖案中，這就形成了基板材料中折射率的三維調(diào)制。當(dāng)光以原始記錄的入射角之一照射光柵時，它會再現(xiàn)流程中使用的第二個記錄光束。

案例講解 19.1 CHARGE - PN depletion phase shifter – Ansys Optics - Ring Modulator – Ansys Optics - Traveling Wave Mach-Zehnder Modulator – Ansys Optics - Vertical photodetector – Ansys Optics

圖6：馬赫-曾德爾型調(diào)制器的基本結(jié)構(gòu)2)基本原理：當(dāng)入射光從輸入端輸入，經(jīng)過一個Y分支結(jié)構(gòu)的3 dB分束器后，被分成功率相等的兩束光，并分別進(jìn)入兩個調(diào)制臂中。由于兩條調(diào)制臂是對稱的，在無外加電壓的情況下，兩束光的相位相同，在合束器匯合時無相位差。

基于Ansys Lumerical進(jìn)行無源、有源器件的多類型仿真，覆蓋功率分束器、濾波器等無源光子器件，適用于硅基、鈮酸鋰等多種材料體系，以及微環(huán)調(diào)制器、垂直光電探測器等有源光子器件，以及CPO中涉及到的光學(xué)I/O口等問題。

ANSYS仿真能力ANSYS支持從組件到板級，再到系統(tǒng)級EMC分析，幫助客戶解決電磁相關(guān)問題。

圖1（a）所示的SRG，可以通過幾種方法製造，如電子束寫入，光刻，納米壓印，或鑽石車削。與VHG不同，SRG沒有空間變化的折射率。相反，光柵的表面是由周期性的微結(jié)構(gòu)組成的。為了對SRG進(jìn)行建模，需要採用類似傅里葉模態(tài)法（也叫RCWA）的算法。本文將介紹VHG的工具。

一束光線中有位置、方向、能量和波長或顏色信息。對于光學(xué)系統(tǒng)的模擬，我們使用多束光的統(tǒng)計分析表現(xiàn)來得到我們的結(jié)果。光線的隨機(jī)性是通過每條光線的分布、設(shè)置的光線方向、能量和波長決定的。這種模擬光線的方法稱為“蒙特卡羅(Monte-Carlo)”模擬，即光線是隨機(jī)分布的。一束光線中只包含整個光源的一部分信息，如果我們沒有使用足夠的光線進(jìn)行分析就會導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)確。

對于閃光激光雷達(dá)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換，由于我們對光線分束和散射進(jìn)行了建模，因此我們想要確保在 分析方式（Analyze With）設(shè)置中勾選 散射（Scattering）和 光線分束（Ray splitting）框。

添加微透鏡為從光柵中提取的光束留出了一些空間 ，以便于其擴(kuò)束并朝向光纖準(zhǔn)直。擴(kuò)束和準(zhǔn)直依賴于光和大于波長尺度的特征結(jié)構(gòu)進(jìn)行宏觀相互作用。這可以通過 OpticStudio 中的物理光學(xué)傳播 （POP） 進(jìn)行完全模擬。POP 使用標(biāo)量衍射理論在宏觀系統(tǒng)中傳播標(biāo)量場。

本示例描述了一種基于Ansys OpticStudio與Speos完成3片式LCD投影儀的設(shè)計與仿真方法。如圖所示，LCD顯示器需要外部提供光源照射，光源發(fā)出的白光經(jīng)過積分棒，然后通過紅外、紫外濾光鏡，進(jìn)入分色棱鏡后生成紅、綠、藍(lán)三束光。在合色棱鏡中合成彩色圖像后，最終通過投影光學(xué)系統(tǒng)將圖像放大投射到屏幕上。

圖2 MRR型波長解復(fù)用器EDG型：EDG是通過滿足光程差公式排布的刻蝕光柵齒面實(shí)現(xiàn)對不同波長復(fù)用光的合束和分束，以此來實(shí)現(xiàn)低損耗和多通道的波長（解）復(fù)用功能。

Ansys提供了一系列工具，例如Ansys Zemax OpticStudio光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計與分析軟件，以及Ansys Mechanical結(jié)構(gòu)有限元分析（FEA）軟件，幫助用戶了解各種光學(xué)器件和終端應(yīng)用中的不同材料及其雙折射特性。這些應(yīng)用還兼容MATLAB和Moldex3D等外部工具。

添加微透鏡為從光柵中提取的光束留出了一些空間 ，以便于其擴(kuò)束并朝向光纖準(zhǔn)直。擴(kuò)束和準(zhǔn)直依賴于光和大于波長尺度的特征結(jié)構(gòu)進(jìn)行宏觀相互作用。這可以通過 OpticStudio 中的物理光學(xué)傳播 （POP） 進(jìn)行完全模擬。POP 使用標(biāo)量衍射理論在宏觀系統(tǒng)中傳播標(biāo)量場。

借助OpticStudio可以精確地設(shè)計各種應(yīng)用的光學(xué)元件，從手機(jī)攝像頭到激光束擴(kuò)展器，抬頭顯示等等。為了進(jìn)一步簡化復(fù)雜的設(shè)計工作流程，可以動態(tài)地將OpticStudio鏈接到Lumerical的RCWA求解器，以計算使用Lumerical設(shè)計的復(fù)雜二維光柵的衍射效率(當(dāng)Lumerical FDTD安裝在同一臺PC上時)。

對于每一束光線，都需要進(jìn)行數(shù)百到數(shù)千次運(yùn)算，才能準(zhǔn)確計算其穿過組件的路徑，這就需要具有高計算性能的計算系統(tǒng)。高端CPU有多個內(nèi)核，其中最高端的CPU有多達(dá)128個內(nèi)核，其可獨(dú)立處理每束光線。然而，GPU（通常稱為顯卡）具有不同的架構(gòu)，其內(nèi)部的計算單元更小但更多。因此，更好的GPU可以提高光線追跡功能。NVIDIA在2018年將RTX技術(shù)推向市場以來，GPU的功能得到了顯著提升。

本文介紹兩種在HFSS中進(jìn)行電波束掃描的仿真方法。

對于每一束光線，都需要進(jìn)行數(shù)百到數(shù)千次運(yùn)算，才能準(zhǔn)確計算其穿過組件的路徑，這就需要具有高計算性能的計算系統(tǒng)。 高端CPU有多個內(nèi)核，其中最高端的CPU有多達(dá)128個內(nèi)核，其可獨(dú)立處理每束光線。然而，GPU（通常稱為顯卡）具有不同的架構(gòu)，其內(nèi)部的計算單元更小但更多。因此，更好的GPU可以提高光線追跡功能。

本文介紹兩種在HFSS中進(jìn)行電波束掃描的仿真方法。

庫存鏡頭匹配示例參考如下圖所示的擴(kuò)束器設(shè)計。此文件顯示了具有大約λ/10波前誤差的5x擴(kuò)束器的設(shè)計。在初始示例文件中，使用每個透鏡的一個曲率半徑（使透鏡平面彎曲）和一個REAY操作數(shù)來優(yōu)化設(shè)計，該操作數(shù)以邊緣光線為目標(biāo)。該設(shè)計具有12.5毫米的徑向光束高度（由入射邊際光線的2.5毫米徑向高度和5x放大倍數(shù)給出），且鏡片到鏡片的距離固定為200毫米，以產(chǎn)生合理的緊湊型設(shè)計。

這種非均勻的分布特點(diǎn)使其能夠模擬諸如激光焊接、電子束焊接等局部集中加熱的過程。 應(yīng)用案例 在焊接工藝中，高斯熱源常用于模擬焊接過程中的熱輸入。通過合理設(shè)置高斯熱源的參數(shù)，如峰值熱流密度、熱源半徑等，可以準(zhǔn)確地預(yù)測焊縫區(qū)域的溫度場分布，從而評估焊接質(zhì)量和殘余應(yīng)力。