在本示例中，我們使用 RCWA 求解器設(shè)計(jì)了一個(gè)斜面浮雕光柵 (SRG)，它將用于將光線耦合到單色增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) (AR) 系統(tǒng)的波導(dǎo)中。光柵的幾何形狀經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可將正常入射光導(dǎo)入-1 光柵階次。

然后我們將光柵特性導(dǎo)出為 Lumerical Sub-Wavelength Model (LSWM) JSON 格式，以便在 Speos 的系統(tǒng)級(jí)仿真中對(duì) SRG 進(jìn)行建模（請(qǐng)參閱 "Augmented Reality Optical System”)

概述

SRG 幾何圖形根據(jù)其傾斜角度、填充因子和高度進(jìn)行參數(shù)化，如下所示：

光柵和基板的折射率為1.8。光柵被空氣包圍。周期固定在 393 nm。

對(duì)光柵進(jìn)行優(yōu)化，以將波長(zhǎng)為 550 nm 的光傳輸?shù)?-1 光柵階次。RCWA 求解器用于SRG的優(yōu)化和完整的特性描述，具體包含定義仿真參數(shù)和運(yùn)行仿真這兩個(gè)步驟。

第 1 步：耦合光柵的優(yōu)化

使用內(nèi)置的粒子群優(yōu)化（PSO）實(shí)用程序，優(yōu)化SRG的傾斜角、填充因子和光柵高度，以最大限度地提高在法向入射時(shí) 550 nm波長(zhǎng)下S偏振的透射率。

第 2 步：完整特性描述和數(shù)據(jù)導(dǎo)出

光柵優(yōu)化是使用來(lái)自光柵上方的正常入射光進(jìn)行的。但是，一旦選擇了優(yōu)化的幾何結(jié)構(gòu)，就必須針對(duì)光線追蹤仿真中預(yù)期的入射角范圍以及前進(jìn)和后退方向計(jì)算完整的光柵特性。然后將結(jié)果導(dǎo)出到一個(gè) JSON 文件，該文件可以使用腳本在 Speos 或 Zemax 中使用。

運(yùn)行和結(jié)果

第 1 步：優(yōu)化 SRG 幾何結(jié)構(gòu)

1.打開(kāi)并運(yùn)行模擬文件 ar_srg.fsp 。

2.右鍵單擊“grating_orders”結(jié)果，然后選擇“ 新建可視化工具 >可視化 ”。

3.單擊并拖動(dòng)繪圖以放大“Ts_grating”結(jié)果（綠線）。

這些結(jié)果表明，初始設(shè)計(jì)將大約56%的正常入射S偏振光引導(dǎo)到-1光柵階次。現(xiàn)在，我們將使用優(yōu)化實(shí)用程序優(yōu)化 光柵幾何結(jié)構(gòu)以增加此值。

5.在“優(yōu)化和掃描”窗口中運(yùn)行優(yōu)化對(duì)象“optimization”。

6.優(yōu)化完成后，通過(guò)右鍵單擊“優(yōu)化”對(duì)象并選擇“應(yīng)用最佳解決方案”來(lái)應(yīng)用最佳 幾何圖形。

“優(yōu)化”對(duì)象將優(yōu)化 SRG 的傾斜角度、填充因子和光柵高度，這些被定義為“slanted_grating” 結(jié)構(gòu)組 的參數(shù)。傳輸?shù)?S 偏振的 -1 光柵階次中的功率用作品質(zhì)因數(shù) （FOM），如“優(yōu)化”對(duì)象的 FOM 腳本中定義。結(jié)果如下所示：

在優(yōu)化幾何結(jié)構(gòu)下，-1光柵階數(shù)的衍射效率約為94.7%。

請(qǐng)注意，這種類型的光柵可以具有此FOM的多個(gè)局部最大值[1]。雖然內(nèi)置的PSO工具是一種方便的快速優(yōu)化方法，但可以使用更高級(jí)的優(yōu)化方法來(lái)充分探索參數(shù)空間。有關(guān)詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱進(jìn)一步使用模型部分。

第 2 步：完整特性描述和數(shù)據(jù)導(dǎo)出

1.在同一模擬文件中，為“RCWA”對(duì)象設(shè)置以下屬性：

·傳播方向 ：兩者

·入射角 ：范圍

·最小θ ：0

·最大θ ：85

·θ點(diǎn) ：18

·最小 phi ：0

·最大 phi ：360

·PHI點(diǎn) 數(shù) ：37

2.通過(guò)單擊工具欄中的“運(yùn)行”按鈕來(lái)運(yùn)行 RCWA 模擬。

3.運(yùn)行腳本 LSWM_JSON_export.lsf 。

在此步驟中，針對(duì)前向和后向的指定入射角范圍計(jì)算優(yōu)化 SRG的S參數(shù)。然后將這些結(jié)果導(dǎo)出為適合使用腳本文件導(dǎo)入Speos或Zemax的LSWM JSON格式。

使用參數(shù)更新模型

光柵幾何形狀

SRG 幾何體被定義為結(jié)構(gòu)組 ，這使得創(chuàng)建用戶指定的幾何體參數(shù)（如傾斜角度和填充因子）變得更加容易。用戶可以通過(guò)更改結(jié)構(gòu)組的設(shè)置腳本來(lái)修改此 SRG 幾何形狀，例如在光柵上添加欠蝕刻或過(guò)度蝕刻?；蛘撸梢酝ㄟ^(guò)添加新的結(jié)構(gòu)組并編寫(xiě)自定義安裝腳本來(lái)創(chuàng)建不同的光柵幾何體。

優(yōu)化參數(shù)

優(yōu)化變化的參數(shù)及其邊界在優(yōu)化掃描對(duì)象中定義。這些可以通過(guò)右鍵單擊“優(yōu)化”對(duì)象并選擇“編輯”來(lái)更改。仿真對(duì)象的幾乎任何屬性都可以用作優(yōu)化參數(shù)，但通常使用用戶在結(jié)構(gòu)組或分析組中創(chuàng)建的幾何參數(shù)。

進(jìn)一步發(fā)展模型

自定義優(yōu)化品質(zhì)因數(shù)

在本例中，SRG針對(duì)單一波長(zhǎng)和入射角進(jìn)行了優(yōu)化。但是，也可以使用包含一系列波長(zhǎng)或入射角的FOM，例如在整個(gè)視場(chǎng)上進(jìn)行優(yōu)化。

為此，請(qǐng)指定要包含在 RCWA 求解器對(duì)象的 FOM 中的波長(zhǎng)和入射角。RCWA 求解器的結(jié)果將作為數(shù)據(jù)集返回，其中波長(zhǎng)/頻率、θ 和 phi 作為參數(shù)。然后，可以在優(yōu)化掃描對(duì)象的 FOM 腳本中處理結(jié)果，以計(jì)算包含完整范圍的 FOM。請(qǐng)注意，F(xiàn)OM 最終必須是優(yōu)化實(shí)用程序的單個(gè)實(shí)數(shù)。

替代優(yōu)化技術(shù)

內(nèi)置的優(yōu)化實(shí)用程序使用粒子群優(yōu)化方法，用于該光柵的優(yōu)化。 但是，可以通過(guò)Ansys optiSLang使用更高級(jí)的優(yōu)化技術(shù)，也可以通過(guò)Lumerical Python API使用Python 庫(kù)。用戶還可以通過(guò)腳本使用內(nèi)置實(shí)用程序定義不同的優(yōu)化方法。參數(shù)空間的初始探索也可以使用參數(shù)掃描工具執(zhí)行。

相關(guān)出版物

[1]Jonathan S. Maikisch 和 Thomas K. Gaylord，“最佳平行面傾斜表面浮雕光柵”，Appl. Opt. 46， 3674-3681 （2007）