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一、背景介紹波導(dǎo)是一種用于傳導(dǎo)電磁波的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)或封閉通道，通常采用金屬和介電材料制作而成。波導(dǎo)可以在微波和毫米波頻段中傳輸電磁波，在通信、雷達(dá)、微波加熱、光學(xué)、天線和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。常見的波導(dǎo)類型有矩形波導(dǎo)、同軸線、共面波導(dǎo)、微帶線波導(dǎo)等。復(fù)雜的電子電路系統(tǒng)通常集成了多個(gè)模塊和多種類型波導(dǎo)，這些模塊之間的信號(hào)傳輸需要將不同類型的波導(dǎo)進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)信號(hào)模式轉(zhuǎn)換或高效率傳輸。

矩形波導(dǎo)濾波器仿真本APP可以對(duì)加載介質(zhì)塊的波導(dǎo)濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真，用戶可通過修改波導(dǎo)參數(shù)、介質(zhì)塊參數(shù)，快速得到仿真結(jié)果，同時(shí)可查看器件的電場(chǎng)、磁場(chǎng)分布以及器件參數(shù)。

1.2 行業(yè)研發(fā)仿真痛點(diǎn)衍射波導(dǎo)AR HUD跨尺度光學(xué)特性顯著，納米級(jí)光柵結(jié)構(gòu)與宏觀鏡頭、風(fēng)擋、波導(dǎo)結(jié)構(gòu)相互耦合，研發(fā)過程面臨多重仿真難題： 跨尺度仿真割裂：納米光柵衍射特性與宏觀鏡頭光路無(wú)法同步建模分析； 多部件協(xié)同難：投影鏡頭、耦合光柵、光波導(dǎo)、車載風(fēng)擋的光學(xué)匹配難以校驗(yàn)； 真實(shí)場(chǎng)景適配弱：無(wú)法模擬日光干擾、環(huán)境路況、人眼實(shí)際視覺感知效果； 性能量化缺失：視場(chǎng)角

為填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白，本研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)了完全自主可控的 3D 可視化衍射光波導(dǎo)仿真模塊，覆蓋 k 域分析、光波導(dǎo)仿真與優(yōu)化全過程，可納入微投影光機(jī)和人眼模型實(shí)現(xiàn)全維度仿真。

AR&MR光波導(dǎo)器件的仿真研究 使用光波導(dǎo)元件對(duì)“HoloLens 1”型進(jìn)行建模 本使用案例演示了一個(gè)簡(jiǎn)單的“HoloLens- 1”型布局設(shè)備的建模，該設(shè)備具有一個(gè)能夠以32°×18°視場(chǎng)引導(dǎo)光線的光波導(dǎo)組件。

4.使用亮度探測(cè)器，以display光源入射系統(tǒng)評(píng)估最終特定視場(chǎng)下的亮度結(jié)果，收集系統(tǒng)的亮度信息，使用inverse仿真計(jì)算，打開XMP結(jié)果，系統(tǒng)顯示圖像信息內(nèi)容。當(dāng)然在仿真過程中，Speos支持加入場(chǎng)景環(huán)境光，使得系統(tǒng)的環(huán)境信息和顯示信息全部疊加到用戶的視野上。

然而，波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)和傳播方法不同于同軸電纜。同軸電纜通過由絕緣材料隔開的兩個(gè)導(dǎo)體傳播電磁波；而在波導(dǎo)中，電磁波是在一種支持不同傳播“模態(tài)”的空腔結(jié)構(gòu)內(nèi)部傳播。光學(xué)波導(dǎo)利用兩種材料的折射率差異，來(lái)確保光波傳播到預(yù)期目標(biāo)位置。微波等應(yīng)用所采用的非光學(xué)波導(dǎo)，通過阻抗或材料電導(dǎo)率來(lái)約束并引導(dǎo)電磁輻射的傳播。

Lett. 28, 1302-1304 (2003); 3D FDTD仿真要模擬的關(guān)鍵部件是來(lái)自參考文獻(xiàn)[1]的線性錐形硅波導(dǎo)（160 nm至500 nm寬度變化超過100 um長(zhǎng)度，250 nm高度），它埋在二氧化硅波導(dǎo)中（注意：使用的尺寸減小了（1.5 umx1.5 umx105 um），以便達(dá)到更快的模擬時(shí)間）? 為了精確模擬線性錐形硅波導(dǎo)，錐形的網(wǎng)格尺寸應(yīng)該要設(shè)置密度大一些

Lett. 28, 1302-1304 (2003);3D FDTD仿真要模擬的關(guān)鍵部件是來(lái)自參考文獻(xiàn)[1]的線性錐形硅波導(dǎo)（160 nm至500 nm寬度變化超過100 um長(zhǎng)度，250 nm高度），它埋在二氧化硅波導(dǎo)中（注意：使用的尺寸減小了（1.5 umx1.5 umx105 um），以便達(dá)到更快的模擬時(shí)間）□ 了精確模擬線性錐形硅波導(dǎo)，錐形的網(wǎng)格尺寸應(yīng)該要設(shè)置密度大一些

2.在Lumerical中的光柵設(shè)計(jì)，本例中基于波導(dǎo)的AR系統(tǒng)依靠衍射光柵來(lái)控制光束在波導(dǎo)中的傳播。利用RCWA求解器模擬了光柵的周期波長(zhǎng)尺度結(jié)構(gòu)，將耦合光柵、出耦合光柵和擴(kuò)展光柵的衍射屬性保存在JSON數(shù)據(jù)文件中，該文件充分描述了所有入射角和波長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)，并且作為表面屬性導(dǎo)入Speos，用以在光線在計(jì)算中模擬亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的屬性，用于Speos系統(tǒng)級(jí)研究。

圖1 雙芯波導(dǎo)建模圖通過仿真得到如圖2所示的雙芯波導(dǎo)的縱向功率分布圖，波長(zhǎng)為1310nm到1550nm的光源從波導(dǎo)的一個(gè)芯輸入，通過仿真可以看出雙芯波導(dǎo)的能量從一根耦合到另一根。

：第一部分Ansys Zemax | 如何設(shè)計(jì)單透鏡 第一部分：設(shè)置Ansys Zemax | 如何使用漸暈系數(shù)Ansys Zemax | 抬頭顯示器設(shè)計(jì)：從 OpticStudio 至 SPEOSAnsys Zemax | HUD 設(shè)計(jì)實(shí)例Ansys Lumerical | 針對(duì) Grating coupler 的仿真分析方法歡迎掃碼添加宇熠工作人員微信

?光源在時(shí)域中設(shè)置為CW（ = 1.55 um），在空間域上設(shè)置為高斯橫向分布，并且位于二氧化硅波導(dǎo)的硅紙尖端。注意：模擬時(shí)間應(yīng)足夠長(zhǎng)，以確保穩(wěn)態(tài)結(jié)果 仿真結(jié)果 頂視圖展示了錐形硅波導(dǎo)的有效耦合。

Lett. 28, 1302-1304 (2003); 3D FDTD仿真 要模擬的關(guān)鍵部件是來(lái)自參考文獻(xiàn)[1]的線性錐形硅波導(dǎo)（160 nm至500 nm寬度變化超過100 um長(zhǎng)度，250 nm高度），它埋在二氧化硅波導(dǎo)中（注意：使用的尺寸減小了（1.5 umx1.5 umx105 um），以便達(dá)到更快的模擬時(shí)間） ? 為了精確模擬線性錐形硅波導(dǎo)

Lett. 28, 1302-1304 (2003); 3D FDTD仿真 要模擬的關(guān)鍵部件是來(lái)自參考文獻(xiàn)[1]的線性錐形硅波導(dǎo)（160 nm至500 nm寬度變化超過100 um長(zhǎng)度，250 nm高度），它埋在二氧化硅波導(dǎo)中（注意：使用的尺寸減小了（1.5 umx1.5 umx105 um），以便達(dá)到更快的模擬時(shí)間） ? 為了精確模擬線性錐形硅波導(dǎo)

基于此，Ansys將于8月20日推出「衍射光波導(dǎo)的HUD聯(lián)合工作流」主題網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)。本次研討會(huì)將討論如何通過Ansys光學(xué)產(chǎn)品進(jìn)行HUD的設(shè)計(jì)和仿真，并重點(diǎn)介紹如何結(jié)合 Ansys Zemax與Lumerical的動(dòng)態(tài)連接工作流程進(jìn)行衍射光波導(dǎo)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，助力AR-HUD的產(chǎn)品研發(fā)，加速上市流程。

在這個(gè)用例中，我們使用一個(gè)具有101×101個(gè)采樣點(diǎn)（即角度）的棋盤格測(cè)試圖像來(lái)研究光波導(dǎo)的角度性能，從而得到10201個(gè)單獨(dú)的基本模擬結(jié)果。通過使用一個(gè)由5個(gè)提供41個(gè)客戶端的多核PC組成的網(wǎng)絡(luò)，模擬時(shí)間可以減少到大約4小時(shí)（與之前的大約43小時(shí)相比）。模擬任務(wù)1. 入射耦合周期：380 nm；光柵脊寬度：190 nm；高度：100 nm；光柵方向：0°。