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在增強現(xiàn)實和混合現(xiàn)實應用 (AR & MR) 領域的光波導光學器件設計過程中，橫向均勻性（每個視場模式）和整體效率是兩個最重要的評價函數(shù)。 為了在光波導系統(tǒng)中獲得適當?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)定義的評價函數(shù)運行優(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，以獲得足夠的均勻性。
任務描述
光波導組件
使用光波導組件，可以輕松定義具有復雜形狀區(qū)域的光波導系統(tǒng)。 此外，這些區(qū)域可以配備理想化或真實的光柵結構，以充當輸入耦合器、輸出耦合器或出瞳擴展器。 更多信息請見：
光波導的構造
光柵區(qū)域
對于輸入耦合器、輸出耦合器和眼瞳擴展器 (EPE)，使用了真實光柵。 他們的瑞利矩陣和相應的效率是用 FMM (RCWA) 嚴格計算的。 您可以在以下位置找到有關如何設置的更多信息：
如何使用真實光柵結構設置一個光波導
總結-組件
帶有附加指南的一般工作流程
1. 基本光學光波導設置的配置（不屬于此用例的一部分）
2. 足跡和光柵分析工具的應用，包括生成滿足參數(shù)調制所有要求的光學設置
3. 光柵參數(shù)所需調制的定義
4. 選擇變量并定義評價函數(shù)以優(yōu)化調制光柵參數(shù)。
起點是一個現(xiàn)有的、可執(zhí)行的光波導系統(tǒng)，其中已經(jīng)包括基本幾何結構（所需距離和定位光柵區(qū)域）以及光柵規(guī)格（方向、周期、級次）。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(qū)域的真實光柵結構，這是應用光柵參數(shù)連續(xù)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(shù)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(shù)。下一步，生成光學設置，其中可以定義平滑參數(shù)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(shù) [用例]
注意：
光柵調制是針對各個光柵區(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（復值）被預先計算并存儲在查找表中，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(shù)
初始系統(tǒng)的生成
• 具有所謂光柵參數(shù)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(yōu)化的評價函數(shù)。
定義光柵區(qū)域的調制函數(shù)
• 打開光波導組件中區(qū)域的編輯對話框； 光柵特性
并且查找表存儲在光柵區(qū)域中。
• 編輯光柵參數(shù)調制功能，使其定義為可編程功能，光柵參數(shù)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）。
初始系統(tǒng)的生成
在分別為 EPE 和輸出耦合器定義調制后，可以通過 Optical Setup > New Parameter Optimization 啟動參數(shù)優(yōu)化文檔。
優(yōu)化設置-選擇參數(shù)
• 分別為EPE 和輸出耦合器光柵選擇調制開始和結束位置的填充因子值。
• 根據(jù)調制功能編輯器中的設置自動填充原始值。
優(yōu)化設置 - 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)）。
• 為了實現(xiàn)低均勻性誤差和可接受的強度分布，將均勻性誤差的目標值設置為 0%，并指定算術平均值的目標值。
• 通過定義評價函數(shù)的權重值，可以調整優(yōu)化的貢獻（相關性或優(yōu)先級）。
優(yōu)化結果
優(yōu)化結果
優(yōu)化均勻性與能量密度
通過眼動范圍對初始和優(yōu)化系統(tǒng)進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
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根據(jù)集成電路的設計和功能，這種波導可以呈現(xiàn)為直線或曲線結構。JCMsuite允許方便的分析直和彎曲的情況。
在項目文件中定義了數(shù)值傳播模式設置，其中設置參數(shù)AxisPositionX = -1e-6，用于設置波導問題的曲率。因此，將二維截面處理為圓形沿著y軸進行一個掃掠。另外y軸由AxisPositionX替換，即柱面軸的x方向位于AxisPositionX。當省略參數(shù)AxisPositionX時，AxisPositionX >Infinity情況收斂于未彎曲/筆直情況，這是積極地。計算出的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前進時由于模態(tài)泄漏而造成的輻射損失。
下面是彎曲波導基模的強度和矢量場：
VirtualLab Fusion為這項任務提供了一系列強大的工具，如：可以計算基本優(yōu)化函數(shù)(如均勻性和效率)的探測器，以及沿著布局的特定區(qū)域實現(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，同時保證靈活性。要了解更多信息，請查看下面的示例!
連續(xù)調制光柵區(qū)域光波導的優(yōu)化
這個案例演示了如何優(yōu)化一個光波導，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，以實現(xiàn)眼框中適當?shù)臋M向均勻性。
參數(shù)優(yōu)化文檔簡介
VirtualLab Fusion提供三種局部和一種全局優(yōu)化算法。這個案例介紹了相關的參數(shù)優(yōu)化文檔及其選項和設置。
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空間擴展光源在實際中經(jīng)常出現(xiàn)。 可以使用Tervo等人[J. Opt. Soc. Am. A 27 (9), 2010]報道的位移基本場方法對它們進行建模。 該用例演示了如何基于楊氏干涉實驗，在VirtualLab Fusion中實現(xiàn)位移基本場方法，從而獲得空間擴展源的精確模型。
位移基本場法
基本場數(shù)（模式）
參數(shù)變化的配置
參數(shù)變化的配置
參數(shù)運行的可編程模式
沿x軸顯示條紋結果
不同模式數(shù)下的條紋
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在增強現(xiàn)實和混合現(xiàn)實應用（AR/MR）領域的波導器件的設計過程中，準確計算可實現(xiàn)的光學性能是其主要任務之一。除了空間和角度均勻性外，一個非常重要的量是調制傳遞函數(shù)（MTF），它可以評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對計算得到的MTF精度的影響。我們會進一步說明，一個準確和快速的包含這些影響的計算需要在一個單一平臺上結合高度交互性的模擬技術。這也使用戶能夠無縫地控制復雜光學系統(tǒng)的精度和速度間的平衡。
任務說明書
任務：如何準確計算波導的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級次：50%
·效率0級次：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%
光瞳擴展器
·二元光柵
·268.7nm周期
·高度50 nm
·填充系數(shù)50%
仿真與設置：單平臺交互性
連接建模技術：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：532 nm
·帶寬：0 nm、1 nm、10 nm
在此設置中，有兩種不同的技術對光源建模，每種技術的優(yōu)缺點將在文檔中討論。
建模技術的單平臺交互性
每束光束在復雜系統(tǒng)中傳播時都與不同類型的光學元件相互作用。因此，一個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、光瞳擴展器、耦出耦合器）
2. 自由空間（平板玻璃內傳播）
3. 平板玻璃表面的反射
4. 區(qū)域邊界（光柵邊界）
5. 探測器表面的反射（視野范圍均勻性測量）
6. 眼睛模型（PSF和MTF計算）
連接建模技術：光柵
1. 光柵（耦入耦合器、光瞳擴展器、耦出耦合器）
2. 自由空間（平板玻璃內傳播）
3. 平板玻璃表面的反射
4. 區(qū)域邊界（光柵邊界）
5. 探測器表面的反射（視野范圍均勻性測量）
6. 眼睛模型（PSF和MTF計算）
周期性微納米結構的現(xiàn)有建模技術：
作為一種嚴格的特征模求解器，傅里葉模態(tài)方法（也稱為嚴格耦合波分析，RCWA）提供了非常高的精度。由于此設置的時間較小，計算速度較快。因此，F(xiàn)MM是提高準確性和速度的最佳折衷方案。
連接建模技術：波導板內部
1. 光柵（耦入耦合器、光瞳擴展器、耦出耦合器）
2. 自由空間（平板玻璃內傳播）
3. 平板玻璃表面的反射
4. 區(qū)域邊界（光柵邊界）
5. 探測器表面的反射（視野范圍均勻性測量）
6. 眼睛模型（PSF和MTF計算）
可用的自由空間傳播的建模技術：
有兩種快速建模技術可用來計算平板玻璃內的傳播：
·傅里葉域技術（包括邊界和孔徑的衍射效應）
·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，需要考慮計算結果！
連接建模技術：波導表面
1. 光柵（耦入耦合器、光瞳擴展器、耦出耦合器）
2. 自由空間（平板玻璃內傳播）
3. 平板玻璃表面的反射
4. 區(qū)域邊界（光柵邊界）
5. 探測器表面的反射（視野范圍均勻性測量）
6. 眼睛模型（PSF和MTF計算）
與表面相互作用的可用建模技術：
2. 非均勻離子對濃度淬滅（PIQ）
離子-離子相互作用效應涉及稀土離子之間的能量轉移問題。當稀有離子的局部濃度變得足夠高時，就不能假設每個孤立的離子都是獨立作用于其周圍。當放大轉換的上能級被能量轉移耗盡時，這可能對放大器性能產(chǎn)生負面影響。
一、均勻上轉換
均勻上轉換效應是Er3+–Er3+相互作用效應，其對EDFA性能的影響與光纖中鉺離子的濃度有關。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，非均勻上轉換往往會對放大器性能造成更大的損害。
為了證明EDFA中均勻上轉換的影響，針對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中均勻上轉換的系統(tǒng)布局
光纖的上轉換壽命定義為：
其中nt是鉺離子的濃度，而Uc是兩粒子上轉換系數(shù)。
分別仿真四種光纖：一種光纖沒有均勻的上轉換效應，三種光纖的上轉換壽命分別為1ms、2ms和5ms。
所有光纖都考慮了相同的鉺離子濃度。在考慮均勻上轉換的纖維的情況下，上轉換系數(shù)（Uc）的值被設置之后，便確定了相應的上轉換壽命。
圖2（a）顯示了沒有均勻上轉換的光纖的選項卡設置，圖2（b）考慮了1ms的上轉換壽命。
a）不考慮均勻上轉換
b）考慮了1ms的上轉換壽命
圖2.光纖設置
對泵浦功率進行參數(shù)掃描，如圖3：
圖3.泵浦參數(shù)掃描設置
在模擬之后，繪制了每個光纖的增益與泵浦功率的曲線。圖4顯示了模擬結果。該結果顯示了由于上轉換效應而導致的EDFA的性能下降。為了補償增益的下降，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、非均勻離子對濃度淬滅
非均勻離子對濃度淬滅（PIQ）效應意味著兩個或多個離子之間的能量傳遞速率在時間尺度上明顯快于泵浦速率，因此在所考慮的泵浦功率下，泵浦無法保持兩個離子都被激發(fā)。
當用戶選擇離子-離子相互作用效應參數(shù)的非均勻選項時，摻鉺光纖組件將這種效應考慮在內。在這種情況下，用戶必須指定光纖中簇的相對數(shù)量（K）和每個簇的離子數(shù)量（mk）。圖5顯示了K=1.4%和mk=2的摻雜光纖的示例。
圖5.設置光纖中的非均勻離子對濃度淬滅
通過仿真驗證了PIQ對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處的信號增益相對于泵浦功率的曲線。輸入信號功率保持在-20dBm，980nm處的泵浦功率在2mW到50mW之間變化。
圖6.用于分析EDF中非均勻離子對濃度淬滅的系統(tǒng)布局
在這些模擬中，除了簇的相對數(shù)量外，所有光纖參數(shù)都保持不變，這對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，兩個相對簇數(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）
模擬結果表明，由于非均勻離子對濃度淬滅的影響，EDFA的性能有很高的退化。
參考文獻：
[1]P. C. Becker, N. A. Olsson, and J. R. Simpson. “Erbium-Doped Fiber Amplifiers: Fundamentals and Technology”. Optics and Photonics, 1999.
[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)常在兩個方向上表現(xiàn)出不對稱的發(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直，然后被非球面透鏡聚焦后焦點區(qū)域的場的演變。與沒有散光的情況相比，散光對其焦點區(qū)域的場的影響被清楚地呈現(xiàn)出來。
建模任務
非球面鏡和準直物鏡
Lens System Component允許輕松定義一個由光滑表面和均勻、各向同性的介質交替排列組成的組件。在接口和材料方面，可以從內置的目錄中選擇現(xiàn)成的條目，也可以定制自己的條目，以獲得最大的自由度。
在焦點區(qū)域Z方向掃描
為了實現(xiàn)對焦點區(qū)域的Z方向掃描，可以進行Parameter Run。通過這個工具，用戶可以很容易地改變一個單獨的參數(shù)或一組參數(shù)。
總結-元件
用光線跟蹤進行系統(tǒng)分析
焦點平面的研究
焦點區(qū)域調查（無散光）
焦點區(qū)域調查（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)。模擬結束后，可以使用OptiSystem可視化組件查看結果。
本案例演示在OptiSPICE搭建收發(fā)機電路，將電路導入到OptiSystem進行數(shù)據(jù)交換，最后評價眼圖。
一、在OptiSPICE中搭建收發(fā)機電路
OptiSPICE原理圖可以設計為使用元件Electrical Input – Vsource、Electrical Input - Isource或Optical Input接受來自OptiSystem的電數(shù)據(jù)和/或光學數(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)合模擬運行。這可以通過點擊“OptiSystem > Configure Co-simulation”來完成（參見圖2）
圖1.OptiSPICE中設計收發(fā)機
圖2.配置OptiSPICE聯(lián)合模擬
二、在OptiSystem中導入收發(fā)機電路
在OptiSystem中，OptiSPICE Netlist組件可以在組件庫中的“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OptiSystem仿真后（圖5），OptiSPICE NetList接收到OptiSystem產(chǎn)生的信號。然后自動啟動OptiSPICE電路仿真（將出現(xiàn)一個命令行界面，提供仿真的進度報告）。OptiSPICE仿真完成后，OptiSystem繼續(xù)其仿真直至完成。OptiSystem可視化庫中的各種組件，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。在運行OptiSystem仿真之前，重要的是要檢查OptiSystem中的仿真時間是否與OptiSPICE中的仿真時間匹配
圖5.OptiSystem聯(lián)合仿真系統(tǒng)布局
圖6.OptiSPICE 輸出信號生成的眼圖
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關鍵字：衍射光學，衍射光學元件，擴散器，線焦點
需要的工具箱：衍射光學工具箱
相關案例：D0.002；DO.003
相關教程：144.01
1. 建模任務
輸入光束參數(shù)
波長：632.8nm
激光光束直徑（1/e2）：700um
期望輸出場參數(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. 設計參數(shù)設置
點擊Start→Diffractive Optics→Regular Shape Diffuser，進入規(guī)則整形器設計界面。
1) 輸入光束參數(shù)設置
點擊Next，以進入具體參數(shù)選擇和設置界面。
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）。
點擊Next，進入輸入光束參數(shù)波長和束腰設置界面。設置波長為632.8nm，束腰直徑為700um。
點擊Next，進行光學參數(shù)設置。
2) 光學系統(tǒng)選擇及設置
選擇光學系統(tǒng)為1f-Setup。
點擊Next，得到光學參數(shù)設置界面。
設置透鏡的有效焦距為50mm。
3) 期望輸出場設置
點擊Next，進行期望輸出場設置。Dimension（維度）選擇Diffuse Line。
設置Top Hat Parameters（高帽參數(shù)），Top Hat Diameter（高帽直徑）為5mm，Resolution（分辨率）為30um。最大相對雜散光強度（Maximum Relative Stray Light Intensity）1%。
4) 優(yōu)化函數(shù)選擇
選擇Conversion Efficiency（轉換效率），Uniformity Error（一致性誤差），Maximum Relative Intensity of Stray Light（最大相對雜散光強度）函數(shù)。
5) 衍射光學元件孔徑參數(shù)，透過率參數(shù)以及周期、像素尺寸等設置
6) 設計參數(shù)匯總界面
3. 應用迭代傅里葉變換算法對擴散器進行優(yōu)化
通過點擊Start（開始），開始進行優(yōu)化設計。
4. 光路圖
點擊Go。ㄟ\行）獲得模擬結果
5. 光路圖
雙擊高斯波長光源
高斯光源設置
關掉生成截面區(qū)域。
點擊Ok按鈕。
在光路圖上，點擊Go!
6. 模擬結果
在目標平面上的二維強度分布
7. 總結
VirtualLab Fusion幫助客戶設計生成散射線或高帽的衍射光學元件。
輔助設計步驟也使那些在衍射光學方面無經(jīng)驗的光學工程師能夠完成各類衍射元件的設計工作。]]>
光纖模式計算器可用于計算在圓柱對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多項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算器以及如何配置模式的采樣參數(shù)。
配置光纖結構：Step-Index Fiber（階躍折射率光纖）
光纖模式計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斷）。
配置光纖結構：漸變折射率 (GRIN) 光纖
光纖模式計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。 對于 GRIN 光纖，定義了梯度常數(shù)。 然后通過下式計算折射率
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)的計算
繪制級次索引、傳播常數(shù)和 neff
傳播模式的計算和顯示
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在本次案例中，我們演示了如何將OptiBPM中的設計導出到OptiSystem，并通過“OptiBPM component NхM”將其作為組件使用。在這里，我們首先在OptiBPM中設計了一個MMI耦合器，然后在OptiSystem中使用它來構建DPSK解調器。
一、在OptiBPM中設計MMI耦合器
在OptiBPM中使用二氧化硅材料設計了MMI耦合器。纖芯和包層的折射率分別為1.47和1.4456。對于這些折射率，波導寬度為3.5 μm導致單模工作。MMI耦合器的布局如下圖所示：
圖1.MMI耦合器系統(tǒng)布局
輸入波導長度為200um，耦合器尺寸為20 × 960μm。該尺寸是根據(jù)兩個輸入之間的3dB耦合比計算的。為了將這個設計導出到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。通過點擊“Scattering Data Script”按鈕，軟件生成腳本。在菜單中選擇輸入光源、波長范圍和掃描步數(shù)。在本例中，波長范圍為1545 ~ 1555μm(圖2)。單擊OK，軟件生成構建散射數(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，點擊“Run”。
圖3.運行散射數(shù)據(jù)腳本
仿真完成后，在OptiBPM Analyzer上查看結果。在窗口的“Export”選項卡上，點擊“Scattering data in Cartesian Coordinates”，保存“*.s”文件。
圖4.導出“*.s”文件
二、導入OptiBPM中設計的MMI耦合器到OptiSystem
為了將設計導出到OptiSystem，只需將“OptiBPM component NхM”拖動到布局中，并選擇生成的“*.s”的文件路徑導入到Filename(圖5)。將OptiBPM中設計的MMI耦合器的傳遞函數(shù)自動導出到具有2個輸入和輸出的“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、傳輸環(huán)路和DPSK解調器三部分組成。我們使用兩個OptiBPM設計的MMI耦合器和一個光延時器件來構建。
圖6.DPSK系統(tǒng)布局
圖7為色散補償光纖以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
的手性轉換。這就得到了守恒定律
光柵結構廣泛應用于各種光學應用場景，如光譜儀、近眼顯示系統(tǒng)、脈沖整形等。快速物理光學軟件VirtualLab Fusion通過使用傅里葉模態(tài)方法(FMM，也稱為RCWA)，為任意光柵結構的嚴格分析提供了通用和方便的工具。為此，復雜的一維或二維周期結構可以使用界面和調制介質進行配置，這允許任何類型的光柵形貌進行自由的配置。在此用例中，詳細討論了衍射級次的偏振態(tài)的研究。
任務說明
簡要介紹衍射效率與偏振理論
某個衍射級次（𝑛）的效率表示有多少的輻射功率被衍射到這個特定的級次中。它是由復數(shù)值瑞利系數(shù)計算出來的，瑞利系數(shù)包含了每個衍射級次（矢量）電磁場的全部信息。瑞利系數(shù)本身是由FMM對光柵的特征值問題進行嚴格分析的結果。
如果在TE/TM坐標系(CS)中給出瑞利系數(shù)，則可以計算衍射效率：
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)，則必須應用以下方程：
因此，必須考慮所給出的瑞利系數(shù)的坐標系。默認情況下，光柵坐標系中為
。光柵結構參數(shù)
研究了一種矩形光柵結構。
為了簡化設置，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于特定級次的偏振態(tài)的信息。
為了接收瑞利系數(shù)作為檢測器的結果，需要選擇光柵級次分析器件中的單個級次輸出，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，
。這說明衍射光是完全偏振的。對于𝜑=22°，
。此時，67%的光是TM偏振的。對于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)之間的高度轉換。
因此，他們將模擬結果與制作樣品的測量數(shù)據(jù)進行了比較。
光柵結構參數(shù)
在本文中，研究了兩種不同的制備光柵結構。
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料的，而且確實可以觀察到：在基板和側壁上存在不完全平行的欠刻蝕部分。
由于缺少關于制作結構的細節(jié)，我們將其簡化為VirtulLab Fusion中的模擬。
但是如果有可用數(shù)據(jù)，就可以詳細分析光柵的復雜形狀。
光柵#1——參數(shù)
假設側壁傾斜為線性。
忽略了襯底中的欠刻蝕部分。
為了實現(xiàn)光柵脊的梯形形狀，采用了傾斜光柵介質。
光柵周期：250 nm
光柵高度：660 nm
填充因子：0.75（底部）
側壁角度：±6°
n_1：1.46
n_2：2.08
光柵#1——結果
這兩幅圖對比之下匹配度很高，特別是圖表的趨勢。
與參考文獻相比，仿真中光柵結構進行了簡化，存在一些小的偏差。由于缺乏關于實際的更詳細的光柵結構的數(shù)據(jù)，這種簡化是必要的。
光柵#2——參數(shù)
假設光柵為矩形。
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構。
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——結果
這兩幅圖對比之下再次顯示出非常好的匹配度，特別是圖表的趨勢。
與參考文獻相比，仿真中光柵結構進行了簡化，存在一些小的偏差。由于缺乏關于實際的更詳細的光柵結構的數(shù)據(jù)，這種簡化是必要的。
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液晶光柵利用了液晶折射率等光學特性周期變化引起的尋常光與非尋常光產(chǎn)生的相位差及偏轉特性變化的器件。液晶光柵的這一電光特性在光學計算處理、衍射光學、三維 圖像顯示和光電開關等許多領域具有廣泛的應用前景。
條件設置：
邊界條件：周期邊界條件
預傾角：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
器件結構(FFS型)
結果
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
]]>在物理光學中，傅里葉變換是光在復雜光學系統(tǒng)中傳播所需的最基本的工具之一。這些操作允許我們在表示光場的不同域(如空間域和頻域)之間切換，并促進各種光學元件特定求解器的高效應用。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于精確和快速的仿真是必不可少的。為了向光學工程師提供光場在系統(tǒng)中傳播時的不同階段的全面概述，VirtualLab Fusion配備了一個強大的工具，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 – 探測器
例2：反射光柵
反射光柵對 – 系統(tǒng)設置
反射光柵對 – 光源
反射光柵對 – 光柵
反射光柵對 – 上臂
反射光柵對 – 下臂
錐透鏡，通常也被稱作軸對稱棱鏡，是一種擁有一個圓錐面和一個平面的透鏡。錐透鏡常用來產(chǎn)生強度分布為貝塞爾函數(shù)型的光束或者一個圓錐形的非發(fā)散光束？梢杂糜诩す獯蚩/光學穿孔，光學捕獲，光學相干斷層掃描(OCT)，角膜手術，望遠鏡等。本文以Throlabs AX2520-UV型號為例，來模擬將平面波入射光束轉變?yōu)榄h(huán)形輪廓。
模型
光線追跡使用相干光線追跡，F(xiàn)RED的相干光技術高斯光束分解技術，為了使圓錐表面中心點光線錯誤最小，需要追跡大量的光線。本例中，我們使用201*201的格子光。
圖1. 平面波光源的設定
表[1].幾何結構規(guī)格設定
分析環(huán)形輪廓圖我們選擇像平面處的照度圖、能量密度圖或標量場查看，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。
