RCWA解决方案如何支持光学技术的持续创新

OpticStudio通过光线追踪模拟光学行为，在系统级(宏观尺度)进行光学设计开发和公差，允许光学设计师在进行原型或产品开发之前进行数字公差和改进设计。Lumerical分析和模拟亚波长尺度(纳米尺度)的光学元件设计，如超透镜和光子集成电路。

同时使用OpticStudio和Lumerical，设计师可以在纳米尺度和宏观尺度上完全模拟他们的端到端设计。衍射光栅是一种纳米级结构，通常用于将光耦合到增强现实(AR)波导中。

正如在以前的博客在美国，衍射光栅是一种周期性光学结构，它将入射的平面波散射成出射的平面波，称为光栅阶。由于衍射光栅是纳米级的，光学团队在设计独立光子器件或大型光学系统设计中的光子元件时，通常使用Lumerical来模拟光线行为。

衍射是一种复杂的物理现象，它引入了射线在其不均匀表面上的散射。准确地计算这些射线需要衍射效率的数据-评估结果图像所需的精度水平。面对纳米尺度周期结构的建模，光学设计人员经常使用一种称为严格耦合波分析(RCWA)的方法。

让我们来看看RCWA是什么，然后介绍一个允许您解决这个挑战的Ansys Zemax功能。

什么是严格耦合波分析?

RCWA方法是求解周期结构麦克斯韦方程组的一种半解析方法。在RCWA方法中，将结构分成均匀层，并在傅里叶空间中计算每层的模态。然后将这些模式扩展到相邻层的模式中，以确定光如何在这些层之间耦合。此时，可以将具有特定频率方向和偏振的平面波源通过结构，将其扩展到每一层的模态中，如图1所示。

你可以用这种方法计算的一些结果包括:

• 传输和反射的总功率。
• 结构内部的电场和磁场。
• 出射光栅阶的相对相位和振幅。

RCWA法是模拟衍射光栅的常用方法。在给定光栅和入射平面波特性的情况下，利用RCWA可以得到衍射光栅中光栅阶的方向、幅度和相位。

RCWA求解器:大型光线追踪系统的精确光栅模拟

然而，要进行详细的分析，使您获得衍射光学所需的精度，您需要执行麦克斯韦方程。为了在Lumerical中实现这一点，我们创建了两种类型的RCWA求解器，用于计算光栅阶的平面波的相对振幅和相位:Lumerical中的二维RCWA求解器和OpticStudio中的一维RCWA求解器。

这些RCWA求解器可用于各种实际应用，包括:

• 出口瞳孔扩展器，AR波导中常用的光子器件。
• 屏幕下摄像头，手机技术的新兴创新。
• 微机电系统(MEMS)应用，如投影仪微镜阵列。
• 闪光激光雷达，激光雷达的一个方便的子集，我们将在后面的博客文章中讨论。

从历史上看，进行任何形式的RCWA都是一个费力的、通常是手工的过程。它需要使用光学和光子设计所使用的仿真工具之外的工具，从而导致许多人为错误。为了解决这一挑战，RCWA求解器将RCWA中的平面波转换为OpticStudio中的射线。通过将衍射光栅视为将入射平面波或射线散射成基于光栅阶数的多个出射光线的表面，您可以使用RCWA求解器根据入射光线的方向确定出射光线的角度、幅度和相位。

使用RCWA求解器在模拟包括衍射光栅的光学设计时提供了几个关键好处，例如:

• 精确的衍射效率，这是计算使用复杂的RCWA算法。
• 在单个接口内进行RCWA计算，而无需切换到外部工具。
• 更快的结果，通过自动计算和集成的UI加速。
• 在Lumerical和OpticStudio之间轻松共享结果数据集。
• 较好的均匀性，在点阵图像投影的衍射。

有关在OpticStudio中为AR系统试用RCWA求解器的技术细节和说明，请查看本系列文章在Ansys Zemax知识库中。

未来的博客文章将讨论上面提到的“简单的数据共享”的好处，并介绍我们创建的一个插件，它可以在Lumerical和OpticStudio之间快速、自动地传输相关的模拟数据。