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简介 +m1*ou'K \1oN't. 本文提出并演示了一种以二维光栅耦出的光瞳扩展(EPE)系统优化和公差分析的仿真方法。 "T.Qb/97@ W"H(HA 在这个工作流程中,我们将使用3个软件进行不同的工作 ,以实现优化系统的大目标。首先,我们使用 Lumerical 构建光栅模型并使用 RCWA 进行仿真。其次,我们在 OpticStudio 中构建完整的出瞳扩展系统,并动态链接到 Lumerical 以集成精确的光栅模型。最后,optiSLang 用于通过修改光栅模型来全面控制系统级优化,以实现整个出瞳扩展系统所需的光学性能。 ?{r -z3@ N !DXK\,;> 本篇文章将分为上下两个部分。(联系我们获取文章附件) ap[Q'=A` ADB,gap 概述 {=, +;/0 p*~b5'+ C+ 我们将首先在 Lumerical 和 OpticStudio 中构建仿真系统,它们是动态链接的。 du&9mOrr 3e1^r_YI 然后,OpticStudio 通过 Python 节点链接到 optiSLang 进行优化,如图1所示。 GE}>{x=^x [q~3$mjQ jUB`=d| $`_xP1bUT 图1 Lumerical 通过动态链接到 OpticStudio,OpticStudio 通过 Python 节点链接到 optiSLang,优化由 optiSLang 控制。 ,Ofou8C6 p;)@R$* 如图 2 所示,EPE 系统包括两个用于耦入和耦出的光栅。耦出光栅分为几个区,如左侧所示。每个区都将经过优化,以具有不同的光栅形状。右图显示了光在 k 空间中的传播的变化情况。 uOb}R &W
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R{ Duq.`XO #./8inbG 图 2 光栅布局图以及光线在K空间的传播 eMUsw5= TchByN6oN< 第 1 步:系统设置 (Lumerical) %]!xr6d
Qo+Y 打开附件中的 ZAR 文件时,两个光栅文件会被提取到设置的路径中。第一个光栅如图 3 所示,它是耦入光栅中使用的二元光栅。该光栅是固定的,在优化过程中不会改变。 IaGF{O3. Ee'wsL tTPjCl gk4DoO j#P 图 3 耦入光栅结构为二元光栅。 <Gz* 2i 6QNO#!; 第二个 .fsp 文件如图 4 所示,它是一个具有 7 个变量的平行四边形柱体。在优化期间,耦出中的每个区都将使用不同的变量组合集进行优化 。有关优化设置的更多信息将在优化设置部分中进行说明。 R?}<CjI ]%[. > mR jNW/Biy4u K4^mG 图 4 耦出光栅中的结构为平行四边形支柱。 A&:~dZ:%w |],ocAN{ 这两个.fsp文件都是用动态链接的形式在 OpticStudio 中用于模拟完整的EPE系统。 %
r0AhWv 5/i]Jni 第 2 步:系统设置(OpticStudio) ?]0bR]}y La\|Bwx 如图5所示,在该系统中,准直光束入射到耦入光栅上,通过波导传播,并与第二个光栅耦合。眼盒位于第二个光栅的较远部分。优化的目标是优化眼盒接收的均匀性和总功率。 i 8:^1rHp) / a$B8, L!^^3vn d2*uY., 图 5 初始EPE系统和眼盒辐照度。 0-8'.C1v E*8).'S%k 在附件中有一个 OpticStudio 中建立的整个EPE系统的 zar 文件。如图 6 所示,仅构建了第二个光栅一半的区域。这是因为系统具有对称性。从图 7 可以看出,探测器的参数镜像设置为 1,这意味着在光线追迹期间,将始终对-x和+x部分进行镜像。这样一来,我们可以只用一半的光线获得相同的模拟结果。 KHoDD=O DaqpveKa mh8)yy5\ <Y ^)/ s 图 6 OpticStudio 中的 EPE 系统设置。 EN)0b,ax }?[a>.]u YBQ{/"v%| 5Pd^Sew 图7 探测器的镜像参数设置为 1,这意味着该探测器在 x 方向上镜像。 z=Khbh AmBLZ<f; 可以看出, 系统中的所有光栅物体都已使用动态链接 DLL 进行设置,如图 8所示。 W4:#=.m <[tU.nh iTJE:[W"y YI),yj 图 8 为 EPE 系统中的光栅加载动态链接 DLL。 SaA-Krn *w6(nG'M{ 第3步:优化设置(optiSLang) Hs(U|BXU ^4{"h 3-1.Python 用于评估系统 P
yN{ ^( 1S`z$ 附件中包含了一个 python 文件 EPE_2D_for_optiSLang.py,用于将 optiSLang 链接到OpticStudio。使用python代码将 Ansys optiSLang 附带的优化器与求解器Ansys Zemax OpticStudio + Ansys Lumerical 链接非常有用。优势在于可以在每个优化周期中进行数据的预处理跟后处理,灵活性非常高。本章节会对代码结构进行解释。 8Xz \,}$O >e QFY^d5 代码的基本结构首先由 OpticStudio 中的按钮生成,如图 9 所示。 $Zf]1?|xa r$&WwH2^ 图 9 生成 Python 交互式扩展代码的样板。 B-[qS;PY% cGS7s 8U >jpkR p$l'y""i 另外几个模块被导入到样板中。模块 numpy,scipy 用于对来自眼盒的辐照度数据进行后数据处理。模块matplotlib用于在眼盒上绘制和导出辐照度以供以后查看。导入 time 和 random 模块,以便计时器跟踪计算时间。 ^-26K|{3 tQcn%CK S"Drg m. 通过尝试读取变量 OSL_WORKING_DIR,我们可以知道这个 Python 代码是由 optiSLang 调用还是手动调用。当 optiSLang 调用 Python代码时,将创建一些称为环境变量的变量来传递一些 optiSLang 信息。即使这些变量未在 Python 文件中定义,当 optiSLang 调用代码时,它们是可用的。 I=K|1 3ULn ]jA 7/6%92T/B +%LR1+/%b 在这个 Python 代码中,有32个变量,如 clen1、h2、rot4、w1 和 power,用于优化,需要由 optiSLang 定义。我们会将这些变量设置为 optiSLang 中的参数,在灵敏度分析或优化时,optiSLang将自动改变它们的值。如果我们不是从 optiSLang 直接运行这个 Python 代码,那么这些变量的值将是常量,如下面的代码所示。 g)^g_4 RV_+-m{] sjwD x0(7= &\AW}xp 如图10所示,每个区的光栅参数是通过预设的4个角的数据通过插值来确定的。其中 ν 是 dC、dR、dL、θC、θR、θL 、h ,n 是 1,2,3,4,对应于 4 个角。通过这个公式,每个区上的7个光栅参数可以通过具有一定权重(wn)和非线性值(p)的4个角的参数来控制。 ,=`iQl3(y/ T&s}~S=m S/x CX! ,2lH*=m; 9u] "($ ?TY/'-M5 图 10 从 4 个角插值的各个区的参数计算。 ?eri6D,86w & |