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在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和混合現(xiàn)實(shí)應(yīng)用 (AR & MR) 領(lǐng)域的光波導(dǎo)光學(xué)器件設(shè)計(jì)過程中，橫向均勻性（每個(gè)視場(chǎng)模式）和整體效率是兩個(gè)最重要的評(píng)價(jià)函數(shù)。 為了在光波導(dǎo)系統(tǒng)中獲得適當(dāng)?shù)木鶆蛐院托手，有必要允許光柵參數(shù)的變化，特別是在擴(kuò)展器和/或輸出耦合區(qū)域中。 為此，VirtualLab Fusion 能夠在光柵區(qū)域中引入平滑變化的光柵參數(shù)，并提供必要的工具來根據(jù)定義的評(píng)價(jià)函數(shù)運(yùn)行優(yōu)化。 此用例展示了如何使用連續(xù)變化的填充因子值優(yōu)化光波導(dǎo)，以獲得足夠的均勻性。
任務(wù)描述
光波導(dǎo)組件
使用光波導(dǎo)組件，可以輕松定義具有復(fù)雜形狀區(qū)域的光波導(dǎo)系統(tǒng)。 此外，這些區(qū)域可以配備理想化或真實(shí)的光柵結(jié)構(gòu)，以充當(dāng)輸入耦合器、輸出耦合器或出瞳擴(kuò)展器。 更多信息請(qǐng)見：
光波導(dǎo)的構(gòu)造
光柵區(qū)域
對(duì)于輸入耦合器、輸出耦合器和眼瞳擴(kuò)展器 (EPE)，使用了真實(shí)光柵。 他們的瑞利矩陣和相應(yīng)的效率是用 FMM (RCWA) 嚴(yán)格計(jì)算的。 您可以在以下位置找到有關(guān)如何設(shè)置的更多信息：
如何使用真實(shí)光柵結(jié)構(gòu)設(shè)置一個(gè)光波導(dǎo)
總結(jié)-組件
帶有附加指南的一般工作流程
1. 基本光學(xué)光波導(dǎo)設(shè)置的配置（不屬于此用例的一部分）
2. 足跡和光柵分析工具的應(yīng)用，包括生成滿足參數(shù)調(diào)制所有要求的光學(xué)設(shè)置
3. 光柵參數(shù)所需調(diào)制的定義
4. 選擇變量并定義評(píng)價(jià)函數(shù)以優(yōu)化調(diào)制光柵參數(shù)。
起點(diǎn)是一個(gè)現(xiàn)有的、可執(zhí)行的光波導(dǎo)系統(tǒng)，其中已經(jīng)包括基本幾何結(jié)構(gòu)（所需距離和定位光柵區(qū)域）以及光柵規(guī)格（方向、周期、級(jí)次）。這個(gè)例子取自：
• 構(gòu)建光波導(dǎo) [用例]
• 光波導(dǎo)布局設(shè)計(jì)工具 [用例]
配置光柵區(qū)域的真實(shí)光柵結(jié)構(gòu)，這是應(yīng)用光柵參數(shù)連續(xù)或平滑變化之前的必要步驟：
• 如何設(shè)置具有真實(shí)光柵結(jié)構(gòu)的光波導(dǎo) [用例]
• 使用真實(shí)光柵模擬一維-一維瞳孔擴(kuò)展器 [用例]
足跡和光柵分析工具用于指定光柵參數(shù)變化的所需范圍，并針對(duì)特定條件（波長(zhǎng)和方向）預(yù)先計(jì)算相應(yīng)的瑞利系數(shù)。下一步，生成光學(xué)設(shè)置，其中可以定義平滑參數(shù)變化：
• AR/MR 應(yīng)用光波導(dǎo)的足跡分析 [用例]
• 光波導(dǎo)上的光柵分析和平滑調(diào)制的光柵參數(shù) [用例]
注意：
光柵調(diào)制是針對(duì)各個(gè)光柵區(qū)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(fù)值）被預(yù)先計(jì)算并存儲(chǔ)在查找表中，用于選定參數(shù)的指定范圍（例如填充因子）。 根據(jù)可用的效率調(diào)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(dǎo)上的平滑調(diào)制光柵參數(shù)
初始系統(tǒng)的生成
• 具有所謂光柵參數(shù)調(diào)制功能的光波導(dǎo)設(shè)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(yōu)化的評(píng)價(jià)函數(shù)。
定義光柵區(qū)域的調(diào)制函數(shù)
• 打開光波導(dǎo)組件中區(qū)域的編輯對(duì)話框； 光柵特性
并且查找表存儲(chǔ)在光柵區(qū)域中。
• 編輯光柵參數(shù)調(diào)制功能，使其定義為可編程功能，光柵參數(shù)的預(yù)期線性調(diào)制由開始和結(jié)束位置的值定義（EPE 從左到右邊界，耦出合從上到下）。
初始系統(tǒng)的生成
在分別為 EPE 和輸出耦合器定義調(diào)制后，可以通過 Optical Setup > New Parameter Optimization 啟動(dòng)參數(shù)優(yōu)化文檔。
優(yōu)化設(shè)置-選擇參數(shù)
• 分別為EPE 和輸出耦合器光柵選擇調(diào)制開始和結(jié)束位置的填充因子值。
• 根據(jù)調(diào)制功能編輯器中的設(shè)置自動(dòng)填充原始值。
優(yōu)化設(shè)置 - 指定約束
• 定義變量的可用范圍（此處：EPE 和輸出耦合器的填充系數(shù)）。
• 為了實(shí)現(xiàn)低均勻性誤差和可接受的強(qiáng)度分布，將均勻性誤差的目標(biāo)值設(shè)置為 0%，并指定算術(shù)平均值的目標(biāo)值。
• 通過定義評(píng)價(jià)函數(shù)的權(quán)重值，可以調(diào)整優(yōu)化的貢獻(xiàn)（相關(guān)性或優(yōu)先級(jí)）。
優(yōu)化結(jié)果
優(yōu)化結(jié)果
優(yōu)化均勻性與能量密度
通過眼動(dòng)范圍對(duì)初始和優(yōu)化系統(tǒng)進(jìn)行的線掃描揭示了均勻性和局部能量密度的差異。
VirtualLab Fusion技術(shù)
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根據(jù)集成電路的設(shè)計(jì)和功能，這種波導(dǎo)可以呈現(xiàn)為直線或曲線結(jié)構(gòu)。JCMsuite允許方便的分析直和彎曲的情況。
在項(xiàng)目文件中定義了數(shù)值傳播模式設(shè)置，其中設(shè)置參數(shù)AxisPositionX = -1e-6，用于設(shè)置波導(dǎo)問題的曲率。因此，將二維截面處理為圓形沿著y軸進(jìn)行一個(gè)掃掠。另外y軸由AxisPositionX替換，即柱面軸的x方向位于AxisPositionX。當(dāng)省略參數(shù)AxisPositionX時(shí)，AxisPositionX >Infinity情況收斂于未彎曲/筆直情況，這是積極地。計(jì)算出的1e-6曲率半徑的有效折射率為3.0189192705+0.0000001039i。與給出有效折射率為2.9854767050+0.0000000000i的筆直情況相比，有效折射率的虛部量化了沿彎曲波導(dǎo)前進(jìn)時(shí)由于模態(tài)泄漏而造成的輻射損失。
下面是彎曲波導(dǎo)基模的強(qiáng)度和矢量場(chǎng)：
VirtualLab Fusion為這項(xiàng)任務(wù)提供了一系列強(qiáng)大的工具，如：可以計(jì)算基本優(yōu)化函數(shù)(如均勻性和效率)的探測(cè)器，以及沿著布局的特定區(qū)域?qū)崿F(xiàn)光柵參數(shù)平滑變化的可能性。后一種方法可大大減少優(yōu)化中自由參數(shù)的數(shù)量，同時(shí)保證靈活性。要了解更多信息，請(qǐng)查看下面的示例!
連續(xù)調(diào)制光柵區(qū)域光波導(dǎo)的優(yōu)化
這個(gè)案例演示了如何優(yōu)化一個(gè)光波導(dǎo)，使其在EPE和輸出耦合器區(qū)域的光柵填充系數(shù)不斷變化，以實(shí)現(xiàn)眼框中適當(dāng)?shù)臋M向均勻性。
參數(shù)優(yōu)化文檔簡(jiǎn)介
VirtualLab Fusion提供三種局部和一種全局優(yōu)化算法。這個(gè)案例介紹了相關(guān)的參數(shù)優(yōu)化文檔及其選項(xiàng)和設(shè)置。
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空間擴(kuò)展光源在實(shí)際中經(jīng)常出現(xiàn)。 可以使用Tervo等人[J. Opt. Soc. Am. A 27 (9), 2010]報(bào)道的位移基本場(chǎng)方法對(duì)它們進(jìn)行建模。 該用例演示了如何基于楊氏干涉實(shí)驗(yàn)，在VirtualLab Fusion中實(shí)現(xiàn)位移基本場(chǎng)方法，從而獲得空間擴(kuò)展源的精確模型。
位移基本場(chǎng)法
基本場(chǎng)數(shù)（模式）
參數(shù)變化的配置
參數(shù)變化的配置
參數(shù)運(yùn)行的可編程模式
沿x軸顯示條紋結(jié)果
不同模式數(shù)下的條紋
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在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和混合現(xiàn)實(shí)應(yīng)用（AR/MR）領(lǐng)域的波導(dǎo)器件的設(shè)計(jì)過程中，準(zhǔn)確計(jì)算可實(shí)現(xiàn)的光學(xué)性能是其主要任務(wù)之一。除了空間和角度均勻性外，一個(gè)非常重要的量是調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF），它可以評(píng)估最終器件的分辨率能力。在本例中，我們指出了衍射和相干效應(yīng)對(duì)計(jì)算得到的MTF精度的影響。我們會(huì)進(jìn)一步說明，一個(gè)準(zhǔn)確和快速的包含這些影響的計(jì)算需要在一個(gè)單一平臺(tái)上結(jié)合高度交互性的模擬技術(shù)。這也使用戶能夠無縫地控制復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)的精度和速度間的平衡。
任務(wù)說明書
任務(wù)：如何準(zhǔn)確計(jì)算波導(dǎo)的MTF？需要考慮哪些影響？
布局和初始參數(shù)：
耦入耦合器
·理想光柵
·380 nm周期
·效率+1級(jí)次：50%
·效率0級(jí)次：50%（用于背面照明）
耦出耦合器
·二元光柵
·380 nm周期
·高度：50 nm
·填充系數(shù)：50%
光瞳擴(kuò)展器
·二元光柵
·268.7nm周期
·高度50 nm
·填充系數(shù)50%
仿真與設(shè)置：?jiǎn)纹脚_(tái)交互性
連接建模技術(shù)：光源
光源引擎模型
·光束類型：平面波束
·直徑：3mm（圓形）
·偏振：線偏振
·波長(zhǎng)：532 nm
·帶寬：0 nm、1 nm、10 nm
在此設(shè)置中，有兩種不同的技術(shù)對(duì)光源建模，每種技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)將在文檔中討論。
建模技術(shù)的單平臺(tái)交互性
每束光束在復(fù)雜系統(tǒng)中傳播時(shí)都與不同類型的光學(xué)元件相互作用。因此，一個(gè)精確的模型需要算法的無縫交互性，以便能夠處理以下出現(xiàn)的所有方面：
1. 光柵（耦入耦合器、光瞳擴(kuò)展器、耦出耦合器）
2. 自由空間（平板玻璃內(nèi)傳播）
3. 平板玻璃表面的反射
4. 區(qū)域邊界（光柵邊界）
5. 探測(cè)器表面的反射（視野范圍均勻性測(cè)量）
6. 眼睛模型（PSF和MTF計(jì)算）
連接建模技術(shù)：光柵
1. 光柵（耦入耦合器、光瞳擴(kuò)展器、耦出耦合器）
2. 自由空間（平板玻璃內(nèi)傳播）
3. 平板玻璃表面的反射
4. 區(qū)域邊界（光柵邊界）
5. 探測(cè)器表面的反射（視野范圍均勻性測(cè)量）
6. 眼睛模型（PSF和MTF計(jì)算）
周期性微納米結(jié)構(gòu)的現(xiàn)有建模技術(shù)：
作為一種嚴(yán)格的特征模求解器，傅里葉模態(tài)方法（也稱為嚴(yán)格耦合波分析，RCWA）提供了非常高的精度。由于此設(shè)置的時(shí)間較小，計(jì)算速度較快。因此，F(xiàn)MM是提高準(zhǔn)確性和速度的最佳折衷方案。
連接建模技術(shù)：波導(dǎo)板內(nèi)部
1. 光柵（耦入耦合器、光瞳擴(kuò)展器、耦出耦合器）
2. 自由空間（平板玻璃內(nèi)傳播）
3. 平板玻璃表面的反射
4. 區(qū)域邊界（光柵邊界）
5. 探測(cè)器表面的反射（視野范圍均勻性測(cè)量）
6. 眼睛模型（PSF和MTF計(jì)算）
可用的自由空間傳播的建模技術(shù)：
有兩種快速建模技術(shù)可用來計(jì)算平板玻璃內(nèi)的傳播：
·傅里葉域技術(shù)（包括邊界和孔徑的衍射效應(yīng)）
·幾何傳播（忽略了由邊界和孔徑產(chǎn)生的衍射）
為了選擇合適的技術(shù)，需要考慮計(jì)算結(jié)果！
連接建模技術(shù)：波導(dǎo)表面
1. 光柵（耦入耦合器、光瞳擴(kuò)展器、耦出耦合器）
2. 自由空間（平板玻璃內(nèi)傳播）
3. 平板玻璃表面的反射
4. 區(qū)域邊界（光柵邊界）
5. 探測(cè)器表面的反射（視野范圍均勻性測(cè)量）
6. 眼睛模型（PSF和MTF計(jì)算）
與表面相互作用的可用建模技術(shù)：
2. 非均勻離子對(duì)濃度淬滅（PIQ）
離子-離子相互作用效應(yīng)涉及稀土離子之間的能量轉(zhuǎn)移問題。當(dāng)稀有離子的局部濃度變得足夠高時(shí)，就不能假設(shè)每個(gè)孤立的離子都是獨(dú)立作用于其周圍。當(dāng)放大轉(zhuǎn)換的上能級(jí)被能量轉(zhuǎn)移耗盡時(shí)，這可能對(duì)放大器性能產(chǎn)生負(fù)面影響。
一、均勻上轉(zhuǎn)換
均勻上轉(zhuǎn)換效應(yīng)是Er3+–Er3+相互作用效應(yīng)，其對(duì)EDFA性能的影響與光纖中鉺離子的濃度有關(guān)。在具有高濃度鉺離子（nt>5.1024m-3）的光纖中，與具有較低鉺濃度的光纖相比，非均勻上轉(zhuǎn)換往往會(huì)對(duì)放大器性能造成更大的損害。
為了證明EDFA中均勻上轉(zhuǎn)換的影響，針對(duì)不同的光纖模擬了圖1中所示的系統(tǒng)，并分析了增益。
圖1.用于分析EDF中均勻上轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)布局
光纖的上轉(zhuǎn)換壽命定義為：
其中nt是鉺離子的濃度，而Uc是兩粒子上轉(zhuǎn)換系數(shù)。
分別仿真四種光纖：一種光纖沒有均勻的上轉(zhuǎn)換效應(yīng)，三種光纖的上轉(zhuǎn)換壽命分別為1ms、2ms和5ms。
所有光纖都考慮了相同的鉺離子濃度。在考慮均勻上轉(zhuǎn)換的纖維的情況下，上轉(zhuǎn)換系數(shù)（Uc）的值被設(shè)置之后，便確定了相應(yīng)的上轉(zhuǎn)換壽命。
圖2（a）顯示了沒有均勻上轉(zhuǎn)換的光纖的選項(xiàng)卡設(shè)置，圖2（b）考慮了1ms的上轉(zhuǎn)換壽命。
a）不考慮均勻上轉(zhuǎn)換
b）考慮了1ms的上轉(zhuǎn)換壽命
圖2.光纖設(shè)置
對(duì)泵浦功率進(jìn)行參數(shù)掃描，如圖3：
圖3.泵浦參數(shù)掃描設(shè)置
在模擬之后，繪制了每個(gè)光纖的增益與泵浦功率的曲線。圖4顯示了模擬結(jié)果。該結(jié)果顯示了由于上轉(zhuǎn)換效應(yīng)而導(dǎo)致的EDFA的性能下降。為了補(bǔ)償增益的下降，必須增加泵浦功率。
圖4.光纖的增益與泵浦功率的曲線(HUC)
二、非均勻離子對(duì)濃度淬滅
非均勻離子對(duì)濃度淬滅（PIQ）效應(yīng)意味著兩個(gè)或多個(gè)離子之間的能量傳遞速率在時(shí)間尺度上明顯快于泵浦速率，因此在所考慮的泵浦功率下，泵浦無法保持兩個(gè)離子都被激發(fā)。
當(dāng)用戶選擇離子-離子相互作用效應(yīng)參數(shù)的非均勻選項(xiàng)時(shí)，摻鉺光纖組件將這種效應(yīng)考慮在內(nèi)。在這種情況下，用戶必須指定光纖中簇的相對(duì)數(shù)量（K）和每個(gè)簇的離子數(shù)量（mk）。圖5顯示了K=1.4%和mk=2的摻雜光纖的示例。
圖5.設(shè)置光纖中的非均勻離子對(duì)濃度淬滅
通過仿真驗(yàn)證了PIQ對(duì)EDFA性能退化的影響。模擬中使用的光纖參數(shù)和系統(tǒng)布局如圖6所示。該系統(tǒng)仿真1530nm處的信號(hào)增益相對(duì)于泵浦功率的曲線。輸入信號(hào)功率保持在-20dBm，980nm處的泵浦功率在2mW到50mW之間變化。
圖6.用于分析EDF中非均勻離子對(duì)濃度淬滅的系統(tǒng)布局
在這些模擬中，除了簇的相對(duì)數(shù)量外，所有光纖參數(shù)都保持不變，這對(duì)于每條曲線都是不同的。在模擬中獲得了三條曲線來證明泵效率的降低。圖7顯示了與沒有PIQ的光纖（K=0）相比，兩個(gè)相對(duì)簇?cái)?shù)量（K=10%和K=20%）的增益降低。
圖7.光纖的增益與泵浦功率的曲線（PIQ）
模擬結(jié)果表明，由于非均勻離子對(duì)濃度淬滅的影響，EDFA的性能有很高的退化。
參考文獻(xiàn)：
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[2]P. Mylinski, D. Nguyen, and J. Chrostowski.”Effects of concentration quenching on the performance of erbium doped fiber amplifiers”. Journal of Lightwave technology, vol. 15, no 1, January 1997.]]>
高功率激光二極管經(jīng)常在兩個(gè)方向上表現(xiàn)出不對(duì)稱的發(fā)散和散光。此案例在VirtualLab Fusion中研究了激光二極管首先被物鏡準(zhǔn)直，然后被非球面透鏡聚焦后焦點(diǎn)區(qū)域的場(chǎng)的演變。與沒有散光的情況相比，散光對(duì)其焦點(diǎn)區(qū)域的場(chǎng)的影響被清楚地呈現(xiàn)出來。
建模任務(wù)
非球面鏡和準(zhǔn)直物鏡
Lens System Component允許輕松定義一個(gè)由光滑表面和均勻、各向同性的介質(zhì)交替排列組成的組件。在接口和材料方面，可以從內(nèi)置的目錄中選擇現(xiàn)成的條目，也可以定制自己的條目，以獲得最大的自由度。
在焦點(diǎn)區(qū)域Z方向掃描
為了實(shí)現(xiàn)對(duì)焦點(diǎn)區(qū)域的Z方向掃描，可以進(jìn)行Parameter Run。通過這個(gè)工具，用戶可以很容易地改變一個(gè)單獨(dú)的參數(shù)或一組參數(shù)。
總結(jié)-元件
用光線跟蹤進(jìn)行系統(tǒng)分析
焦點(diǎn)平面的研究
焦點(diǎn)區(qū)域調(diào)查（無散光）
焦點(diǎn)區(qū)域調(diào)查（有散光）
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在OptiSystem仿真期間，OptiSPICE和OptiSystem之間可以交換數(shù)據(jù)。模擬結(jié)束后，可以使用OptiSystem可視化組件查看結(jié)果。
本案例演示在OptiSPICE搭建收發(fā)機(jī)電路，將電路導(dǎo)入到OptiSystem進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，最后評(píng)價(jià)眼圖。
一、在OptiSPICE中搭建收發(fā)機(jī)電路
OptiSPICE原理圖可以設(shè)計(jì)為使用元件Electrical Input – Vsource、Electrical Input - Isource或Optical Input接受來自O(shè)ptiSystem的電數(shù)據(jù)和/或光學(xué)數(shù)據(jù)。放置在OptiSPICE中的元件probes用于將數(shù)據(jù)從OptiSPICE傳輸?shù)絆ptiSystem。一旦OptiSPICE中的輸入和輸出被定義(ElecInput_V1和probes；參見圖1)，原理圖需要配置為聯(lián)合模擬運(yùn)行。這可以通過點(diǎn)擊“OptiSystem > Configure Co-simulation”來完成（參見圖2）
圖1.OptiSPICE中設(shè)計(jì)收發(fā)機(jī)
圖2.配置OptiSPICE聯(lián)合模擬
二、在OptiSystem中導(dǎo)入收發(fā)機(jī)電路
在OptiSystem中，OptiSPICE Netlist組件可以在組件庫(kù)中的“Default/Optiwave Software Tools”下找到（參見圖3）。在OptiSPICE中配置了聯(lián)合仿真之后，需要將OptiSPICE NetList文件鏈接到OptiSPICE NetList組件（參見圖4）。
圖3.在OptiSystem中放置OptiSPICE Netlist
圖4.選擇用于聯(lián)合仿真的Netlist文件
啟動(dòng)OptiSystem仿真后（圖5），OptiSPICE NetList接收到OptiSystem產(chǎn)生的信號(hào)。然后自動(dòng)啟動(dòng)OptiSPICE電路仿真（將出現(xiàn)一個(gè)命令行界面，提供仿真的進(jìn)度報(bào)告）。OptiSPICE仿真完成后，OptiSystem繼續(xù)其仿真直至完成。OptiSystem可視化庫(kù)中的各種組件，如頻譜分析儀、示波器可視化器、光譜分析儀等，都可以用來分析OptiSPICE生成的數(shù)據(jù)。在本例中，OptiSPICE的輸出用于生成如圖6所示的眼圖。在運(yùn)行OptiSystem仿真之前，重要的是要檢查OptiSystem中的仿真時(shí)間是否與OptiSPICE中的仿真時(shí)間匹配
圖5.OptiSystem聯(lián)合仿真系統(tǒng)布局
圖6.OptiSPICE 輸出信號(hào)生成的眼圖
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關(guān)鍵字：衍射光學(xué)，衍射光學(xué)元件，擴(kuò)散器，線焦點(diǎn)
需要的工具箱：衍射光學(xué)工具箱
相關(guān)案例：D0.002；DO.003
相關(guān)教程：144.01
1. 建模任務(wù)
輸入光束參數(shù)
波長(zhǎng)：632.8nm
激光光束直徑（1/e2）：700um
期望輸出場(chǎng)參數(shù)
直徑：5mm
效率：>80%
噪聲限制：5%
由于相干照明，最后的光分布包含有散斑! ! !
2. 設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)置
點(diǎn)擊Start→Diffractive Optics→Regular Shape Diffuser，進(jìn)入規(guī)則整形器設(shè)計(jì)界面。
1) 輸入光束參數(shù)設(shè)置
點(diǎn)擊Next，以進(jìn)入具體參數(shù)選擇和設(shè)置界面。
定義輸入光束的束腰和發(fā)散角，選擇1/e2Waist Diameter ，Divergence Full Angle（束腰直徑1/e2和全角發(fā)散）。
點(diǎn)擊Next，進(jìn)入輸入光束參數(shù)波長(zhǎng)和束腰設(shè)置界面。設(shè)置波長(zhǎng)為632.8nm，束腰直徑為700um。
點(diǎn)擊Next，進(jìn)行光學(xué)參數(shù)設(shè)置。
2) 光學(xué)系統(tǒng)選擇及設(shè)置
選擇光學(xué)系統(tǒng)為1f-Setup。
點(diǎn)擊Next，得到光學(xué)參數(shù)設(shè)置界面。
設(shè)置透鏡的有效焦距為50mm。
3) 期望輸出場(chǎng)設(shè)置
點(diǎn)擊Next，進(jìn)行期望輸出場(chǎng)設(shè)置。Dimension（維度）選擇Diffuse Line。
設(shè)置Top Hat Parameters（高帽參數(shù)），Top Hat Diameter（高帽直徑）為5mm，Resolution（分辨率）為30um。最大相對(duì)雜散光強(qiáng)度（Maximum Relative Stray Light Intensity）1%。
4) 優(yōu)化函數(shù)選擇
選擇Conversion Efficiency（轉(zhuǎn)換效率），Uniformity Error（一致性誤差），Maximum Relative Intensity of Stray Light（最大相對(duì)雜散光強(qiáng)度）函數(shù)。
5) 衍射光學(xué)元件孔徑參數(shù)，透過率參數(shù)以及周期、像素尺寸等設(shè)置
6) 設(shè)計(jì)參數(shù)匯總界面
3. 應(yīng)用迭代傅里葉變換算法對(duì)擴(kuò)散器進(jìn)行優(yōu)化
通過點(diǎn)擊Start（開始），開始進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
4. 光路圖
點(diǎn)擊Go。ㄟ\(yùn)行）獲得模擬結(jié)果
5. 光路圖
雙擊高斯波長(zhǎng)光源
高斯光源設(shè)置
關(guān)掉生成截面區(qū)域。
點(diǎn)擊Ok按鈕。
在光路圖上，點(diǎn)擊Go!
6. 模擬結(jié)果
在目標(biāo)平面上的二維強(qiáng)度分布
7. 總結(jié)
VirtualLab Fusion幫助客戶設(shè)計(jì)生成散射線或高帽的衍射光學(xué)元件。
輔助設(shè)計(jì)步驟也使那些在衍射光學(xué)方面無經(jīng)驗(yàn)的光學(xué)工程師能夠完成各類衍射元件的設(shè)計(jì)工作。]]>
光纖模式計(jì)算器可用于計(jì)算在圓柱對(duì)稱光纖中傳播的線偏振 (LP) 模式，可以是單芯的階躍折射率，也可以是無限拋物線剖面的漸變折射率。 描述這些模式的相應(yīng)多項(xiàng)式是用于階梯折射率光纖的 Bessel 和用于漸變折射率光纖的 Laguerre。 此用例展示了如何使用計(jì)算器以及如何配置模式的采樣參數(shù)。
配置光纖結(jié)構(gòu)：Step-Index Fiber（階躍折射率光纖）
光纖模式計(jì)算器允許定義線性偏振貝塞爾模式和線性偏振Laguerre模式。
在階躍折射率光纖中，傳播模式是貝塞爾類型。 對(duì)于這種配置，需要定義纖芯和包層的材料，并且必須指定傳播模式的數(shù)量（所有其他模式都被截?cái)啵?/span>
配置光纖結(jié)構(gòu)：漸變折射率 (GRIN) 光纖
光纖模式計(jì)算器允許定義線性偏振貝塞爾模式和線性偏振拉蓋爾模式。 對(duì)于 GRIN 光纖，定義了梯度常數(shù)。 然后通過下式計(jì)算折射率
與前一種情況一樣，需要定義所需傳播模式的數(shù)量。
傳播常數(shù)的計(jì)算
繪制級(jí)次索引、傳播常數(shù)和 neff
傳播模式的計(jì)算和顯示
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在本次案例中，我們演示了如何將OptiBPM中的設(shè)計(jì)導(dǎo)出到OptiSystem，并通過“OptiBPM component NхM”將其作為組件使用。在這里，我們首先在OptiBPM中設(shè)計(jì)了一個(gè)MMI耦合器，然后在OptiSystem中使用它來構(gòu)建DPSK解調(diào)器。
一、在OptiBPM中設(shè)計(jì)MMI耦合器
在OptiBPM中使用二氧化硅材料設(shè)計(jì)了MMI耦合器。纖芯和包層的折射率分別為1.47和1.4456。對(duì)于這些折射率，波導(dǎo)寬度為3.5 μm導(dǎo)致單模工作。MMI耦合器的布局如下圖所示：
圖1.MMI耦合器系統(tǒng)布局
輸入波導(dǎo)長(zhǎng)度為200um，耦合器尺寸為20 × 960μm。該尺寸是根據(jù)兩個(gè)輸入之間的3dB耦合比計(jì)算的。為了將這個(gè)設(shè)計(jì)導(dǎo)出到OptiSystem，我們需要生成散射數(shù)據(jù)(*.s)文件。這可以通過散射數(shù)據(jù)腳本輕松完成。通過點(diǎn)擊“Scattering Data Script”按鈕，軟件生成腳本。在菜單中選擇輸入光源、波長(zhǎng)范圍和掃描步數(shù)。在本例中，波長(zhǎng)范圍為1545 ~ 1555μm(圖2)。單擊OK，軟件生成構(gòu)建散射數(shù)據(jù)文件所需的腳本。
圖2.生成散射數(shù)據(jù)腳本
開始模擬，在“Simulation Parameter”窗口中，選擇“Simulate using script”，勾選“Simulation generates scattering data information”框，點(diǎn)擊“Run”。
圖3.運(yùn)行散射數(shù)據(jù)腳本
仿真完成后，在OptiBPM Analyzer上查看結(jié)果。在窗口的“Export”選項(xiàng)卡上，點(diǎn)擊“Scattering data in Cartesian Coordinates”，保存“*.s”文件。
圖4.導(dǎo)出“*.s”文件
二、導(dǎo)入OptiBPM中設(shè)計(jì)的MMI耦合器到OptiSystem
為了將設(shè)計(jì)導(dǎo)出到OptiSystem，只需將“OptiBPM component NхM”拖動(dòng)到布局中，并選擇生成的“*.s”的文件路徑導(dǎo)入到Filename(圖5)。將OptiBPM中設(shè)計(jì)的MMI耦合器的傳遞函數(shù)自動(dòng)導(dǎo)出到具有2個(gè)輸入和輸出的“OptiBPM component”。
圖5.OptiBPM Component NxM
下圖顯示了OptiSystem中DPSK系統(tǒng)的布局。它由DPSK發(fā)射機(jī)、傳輸環(huán)路和DPSK解調(diào)器三部分組成。我們使用兩個(gè)OptiBPM設(shè)計(jì)的MMI耦合器和一個(gè)光延時(shí)器件來構(gòu)建。
圖6.DPSK系統(tǒng)布局
圖7為色散補(bǔ)償光纖以40gb /s速度傳輸300km后的眼圖。
圖7.傳輸300km后眼圖
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散射
，以及體積
和界面上
的手性轉(zhuǎn)換。這就得到了守恒定律
光柵結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于各種光學(xué)應(yīng)用場(chǎng)景，如光譜儀、近眼顯示系統(tǒng)、脈沖整形等？焖傥锢砉鈱W(xué)軟件VirtualLab Fusion通過使用傅里葉模態(tài)方法(FMM，也稱為RCWA)，為任意光柵結(jié)構(gòu)的嚴(yán)格分析提供了通用和方便的工具。為此，復(fù)雜的一維或二維周期結(jié)構(gòu)可以使用界面和調(diào)制介質(zhì)進(jìn)行配置，這允許任何類型的光柵形貌進(jìn)行自由的配置。在此用例中，詳細(xì)討論了衍射級(jí)次的偏振態(tài)的研究。
任務(wù)說明
簡(jiǎn)要介紹衍射效率與偏振理論
某個(gè)衍射級(jí)次（𝑛）的效率表示有多少的輻射功率被衍射到這個(gè)特定的級(jí)次中。它是由復(fù)數(shù)值瑞利系數(shù)計(jì)算出來的，瑞利系數(shù)包含了每個(gè)衍射級(jí)次（矢量）電磁場(chǎng)的全部信息。瑞利系數(shù)本身是由FMM對(duì)光柵的特征值問題進(jìn)行嚴(yán)格分析的結(jié)果。
如果在TE/TM坐標(biāo)系(CS)中給出瑞利系數(shù)，則可以計(jì)算衍射效率：
其中，n_in/n_out為覆蓋層和襯底層的折射率，ϑ_in/ϑ_out為所分析的階次的入射角和衍射角。此外，𝐴表示輻射光的振幅。
如果瑞利系數(shù)沿𝑥、𝑦和𝑧給出瑞利系數(shù)，則必須應(yīng)用以下方程：
因此，必須考慮所給出的瑞利系數(shù)的坐標(biāo)系。默認(rèn)情況下，光柵坐標(biāo)系中為
。光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)
研究了一種矩形光柵結(jié)構(gòu)。
為了簡(jiǎn)化設(shè)置，選擇光柵配置，只允許零階(R_0)反射傳播。
根據(jù)上述參數(shù)選擇以下光柵參數(shù)：
光柵周期：250 nm
填充因子：0.5
光柵高度：200 nm
材料n_1：熔融石英（來自目錄）
材料n_2：二氧化鈦（來自目錄）
偏振態(tài)分析
現(xiàn)在，用TE偏振光照射光柵，并應(yīng)用圓錐入射角（𝜑）變量。
如前所述，瑞利系數(shù)的平方振幅將提供關(guān)于特定級(jí)次的偏振態(tài)的信息。
為了接收瑞利系數(shù)作為檢測(cè)器的結(jié)果，需要選擇光柵級(jí)次分析器件中的單個(gè)級(jí)次輸出，并選擇所需的系數(shù)。
模擬光柵的偏振態(tài)
瑞利系數(shù)現(xiàn)在提供了偏振態(tài)的信息：
在圓錐入射角為0（𝜑=0）時(shí)，
。這說明衍射光是完全偏振的。對(duì)于𝜑=22°，
。此時(shí)，67%的光是TM偏振的。對(duì)于𝜑>50°，系數(shù)接近為常數(shù)，因此偏振態(tài)也是常數(shù)。
Passilly等人更深入的光柵案例。
Passilly等人的工作研究并優(yōu)化了亞波長(zhǎng)光柵下衍射光譜的偏振態(tài)，以獲得不同狀態(tài)之間的高度轉(zhuǎn)換。
因此，他們將模擬結(jié)果與制作樣品的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。
光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)
在本文中，研究了兩種不同的制備光柵結(jié)構(gòu)。
由于加工造成的光柵的理想二元形狀的一些偏差是可以預(yù)料的，而且確實(shí)可以觀察到：在基板和側(cè)壁上存在不完全平行的欠刻蝕部分。
由于缺少關(guān)于制作結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)，我們將其簡(jiǎn)化為VirtulLab Fusion中的模擬。
但是如果有可用數(shù)據(jù)，就可以詳細(xì)分析光柵的復(fù)雜形狀。
光柵#1——參數(shù)
假設(shè)側(cè)壁傾斜為線性。
忽略了襯底中的欠刻蝕部分。
為了實(shí)現(xiàn)光柵脊的梯形形狀，采用了傾斜光柵介質(zhì)。
光柵周期：250 nm
光柵高度：660 nm
填充因子：0.75（底部）
側(cè)壁角度：±6°
n_1：1.46
n_2：2.08
光柵#1——結(jié)果
這兩幅圖對(duì)比之下匹配度很高，特別是圖表的趨勢(shì)。
與參考文獻(xiàn)相比，仿真中光柵結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，存在一些小的偏差。由于缺乏關(guān)于實(shí)際的更詳細(xì)的光柵結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)，這種簡(jiǎn)化是必要的。
光柵#2——參數(shù)
假設(shè)光柵為矩形。
忽略了襯底中的欠刻蝕部分。
矩形光柵足以表示這種光柵結(jié)構(gòu)。
光柵周期：250 nm
光柵高度：490 nm
填充因子：0.5
n_1：1.46
n_2：2.08
光柵#2——結(jié)果
這兩幅圖對(duì)比之下再次顯示出非常好的匹配度，特別是圖表的趨勢(shì)。
與參考文獻(xiàn)相比，仿真中光柵結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，存在一些小的偏差。由于缺乏關(guān)于實(shí)際的更詳細(xì)的光柵結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)，這種簡(jiǎn)化是必要的。
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Wg7是OxyTech Webcatalog的革新版本
其設(shè)計(jì)是為了滿足對(duì)照明產(chǎn)品的有效和全自動(dòng)的數(shù)據(jù)管理
Wg7 對(duì)于照明設(shè)計(jì)師和生產(chǎn)商是全自動(dòng)的前所未有
使用Wg7您可以:
- 搜索產(chǎn)品
- 查看極坐標(biāo)，直角坐標(biāo)或光束開角圖
- 分析光譜，TM-30的顏色圖表和曲線
- 查看McAdam橢圓，光譜參數(shù)，CRI圖表
- 下載交互文件（LDT, IES, OXL, IESxml, UNIxml）
- 也可以用25種語(yǔ)言查看和下載報(bào)告和數(shù)據(jù)表
對(duì)制造商的益處
Wg7 避免了制造商在其網(wǎng)站上上傳數(shù)千個(gè)文件，因?yàn)槊總(gè)產(chǎn)品只需一個(gè) OXL 文件就足夠了。Wg7 將負(fù)責(zé)其余的工作！
Wg7 通過增加產(chǎn)品的信息量來最小化工作量。
對(duì)于照明設(shè)計(jì)者的益處
Wg7 以一種簡(jiǎn)單、快速、高效的方式將大量的產(chǎn)品數(shù)據(jù)提供給設(shè)計(jì)人員，而這目前需要大量的時(shí)間和精力。
不再需要浪費(fèi)時(shí)間搜索產(chǎn)品數(shù)據(jù)：使用 Wg7，只需單擊一下即可。
此外，使用 Wg7 + Liswin，您可以在幾秒鐘內(nèi)自動(dòng)檢查您正在使用的產(chǎn)品是否是最新的。
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液晶光柵利用了液晶折射率等光學(xué)特性周期變化引起的尋常光與非尋常光產(chǎn)生的相位差及偏轉(zhuǎn)特性變化的器件。液晶光柵的這一電光特性在光學(xué)計(jì)算處理、衍射光學(xué)、三維 圖像顯示和光電開關(guān)等許多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
條件設(shè)置：
邊界條件：周期邊界條件
預(yù)傾角：1°
方位角：90°
液晶參數(shù)：Δε=5 Δn=0.139
光源：λ=633nm 水平線偏振光
器件結(jié)構(gòu)(FFS型)
結(jié)果
不同位置在不同電壓下產(chǎn)生的相位延遲
施加電壓后產(chǎn)生的衍射圖樣
]]>在物理光學(xué)中，傅里葉變換是光在復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)中傳播所需的最基本的工具之一。這些操作允許我們?cè)诒硎竟鈭?chǎng)的不同域(如空間域和頻域)之間切換，并促進(jìn)各種光學(xué)元件特定求解器的高效應(yīng)用。這些求解器中的大多數(shù)通常在特定的域中工作，這意味著域之間的不斷往返對(duì)于精確和快速的仿真是必不可少的。為了向光學(xué)工程師提供光場(chǎng)在系統(tǒng)中傳播時(shí)的不同階段的全面概述，VirtualLab Fusion配備了一個(gè)強(qiáng)大的工具，系統(tǒng)建模分析器。本文檔介紹該工具的使用方法。
系統(tǒng)建模分析器
如何運(yùn)行建模分析器
系統(tǒng)建模分析器
例1：光束清理濾波器
示例 – 光束清理濾波器
光束清理濾波器 – 光源
光束清理濾波器 – 孔徑
光束清理濾波器 – 探測(cè)器
例2：反射光柵
反射光柵對(duì) – 系統(tǒng)設(shè)置
反射光柵對(duì) – 光源
反射光柵對(duì) – 光柵
反射光柵對(duì) – 上臂
反射光柵對(duì) – 下臂
錐透鏡，通常也被稱作軸對(duì)稱棱鏡，是一種擁有一個(gè)圓錐面和一個(gè)平面的透鏡。錐透鏡常用來產(chǎn)生強(qiáng)度分布為貝塞爾函數(shù)型的光束或者一個(gè)圓錐形的非發(fā)散光束？梢杂糜诩す獯蚩/光學(xué)穿孔，光學(xué)捕獲，光學(xué)相干斷層掃描(OCT)，角膜手術(shù)，望遠(yuǎn)鏡等。本文以Throlabs AX2520-UV型號(hào)為例，來模擬將平面波入射光束轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)形輪廓。
模型
光線追跡使用相干光線追跡，F(xiàn)RED的相干光技術(shù)高斯光束分解技術(shù)，為了使圓錐表面中心點(diǎn)光線錯(cuò)誤最小，需要追跡大量的光線。本例中，我們使用201*201的格子光。
圖1. 平面波光源的設(shè)定
表[1].幾何結(jié)構(gòu)規(guī)格設(shè)定
分析環(huán)形輪廓圖我們選擇像平面處的照度圖、能量密度圖或標(biāo)量場(chǎng)查看，如下圖所示我們選擇FRED中的可視化視圖，具體操作可以參考[2]中的文章。
