VirtualLab：二维周期光栅结构的配置

摘要

复杂光学光栅结构被广泛用于多种应用，如光谱仪、近眼显示系统等。利用傅里叶模态法(FMM，或称RCWA) VirtualLab Fusion 提供了一种用于任意光栅结构严格分析的简单方法。利用图形用户界面，用户可以设置堆栈的几何形状，从而产生复杂的光栅结构。本案例主要集中于具有二维周期光栅结构的配置。
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1. 本案例主要说明：
 如何在光栅工具箱中配置二维光栅结构，通过：
- 基于介质的定义类型
- 基于表面的定义类型
 计算前如何改变高级选型并检查定义的结构。
 注意：在VirtualLab中，具有二维周期性的光栅结构称作3D光栅。因此，层状光栅(一维光栅)被称为2D光栅。

2. 光栅工具箱初始化
 初始化
- 开始→
光栅→
一般光栅光路图(3D光栅)

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 注意：对于特殊类型的光栅，如柱状光栅，可以直接选择特定的光路图。

3. 光栅结构配置
 首先，必须先定义基底的厚度与材料
 在VirtualLab中，光栅结构有一个所谓的堆栈进行定义
 堆栈可以附属在基底的一侧或两侧。
 例如，堆栈选择附属在第一表面。
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基于介质的定义类型
(例如：柱状光栅)
1. 堆栈编辑器
 在堆栈编辑器中，可以从库中增加和插入界面和介质。
 为了以特殊材料定义光栅，必须添加两个平面界面作为边界。

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 两个平面界面间的介质可以使均匀的，也可以是调制的。
 通过使用后者，可以非常有效地描述复杂的光栅结构，如柱状光栅。、
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2. 柱状光栅介质
 在库目录“LightTrans Defined”中，在柱状介质库中可以找到铬柱。
 这种类型的介质可以模拟柱状结构以及衬底上的销孔。
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 在本例中，由铬组成的矩形柱位于熔融石英基底上
 在堆栈编辑器的视图中，不同的材料根据折射率(深色意味着更高)用其他颜色表示。
 注意:堆栈编辑器总是提供x-z平面的横断面视图。
 请注意:界面的顺序总是从基板的表面开始计算。
 选中的界面以红色高亮显示。
 此外，这里不能定义光栅前面的介质（后一个界面后面）。它是自动从光栅元件前面的材料中取出的。
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可以在光学设置编辑器中更改此材料。

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 堆栈周期允许控制整个配置的周期。
 对于具有二维周期性的光栅，周期必须在x和y方向上定义。
 该周期也用于FMM算法的周期性边界条件。对于简单的光栅结构，建议从介质周期中选择“相关的”（Dependent）选项，并选择适当的周期介质指数。
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3. 柱状光栅介质参数
通过以下参数定义柱状光栅：
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 基材(凹槽的介质)
 柱状材料(脊的材料)
 柱的形状(矩形或椭圆形)
 x方向(水平方向)柱距
 y方向(垂直方向)柱距
 行移(允许行位移)
 光栅周期在x和y方向
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 根据柱栅的尺寸和距离自动计算柱栅的周期。
 因此，它不能单独设置，框显示为灰色。
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4. 高级选项&信息
 在传播菜单中有几个高级选项可用。
 propagation method选项卡允许编辑FMM算法的精度设置。
 可以设置每个方向上考虑的总阶数或倏逝波阶数。
 这可能是有用的，尤其是如果考虑金属光栅。
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 相反，对于电介质光栅，默认设置就足够了。
 Advanced Settings选项卡提供关于结构分解的信息。
 层分解和过渡点分解设置可用于调整结构的离散性。默认设置适用于几乎所有光栅结构。
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 此外，还提供了关于层数和转换点的信息。
 分解预览按钮提供了用于FMM计算的结构数据的描述。折射率用色标表示。
 定义的柱栅分解预览(俯视图)。
 •VirtualLab建议将其离散化为2层(1层表示基底)。

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基于界面的定义类型
(例如：截锥光栅)
1. 堆栈编辑器
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2. 截锥光栅
 在本例中，使用了“截锥光栅界面”。
 这种类型的界面可以模拟圆形的高透射结构。
 在本例中，锥体是由位于同一材料基体上的熔融二氧化硅制成的。
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 在堆栈编辑器的视图中，不同的材料根据折射率(深色意味着更高)用其他颜色表示。
 注意:堆栈编辑器总是提供x-z平面的横断面视图。
 请注意:界面的顺序总是从基底的表面开始计算。
 选中的界面以红色高亮显示。
 此外，这里不能定义光栅前面的介质（后一个界面后面）。它是自动从光栅元件前面的材料中取出的。
 这种材料可以在光学设置编辑器中更改。
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 此外，锥体的材料会自动从界面之后的材料中取出。
 在本例中，这意味着使用基底(基块)的材料。
 如果光栅结构是由不同的材料制成的，则必须添加额外的平面界面，以便将光栅结构与底座分离。
 然后根据需要选择截锥与平面界面之间的材料。
 堆栈周期允许控制整个配置的周期。
 对于具有二维周期性的光栅，周期必须在x和y方向上定义。
该周期也用于FMM算法的周期性边界条件。
 对于简单的光栅结构，建议从介质周期中选择“相关的”（Dependent）选项，并选择适当的周期介质指数。
3. 截锥光栅参数
柱栅是一个可编程接口，由以下参数定义:
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 锥高度
 高度因子(例如允许反转结构)
 顶部直径
 底部(基底)直径
 光栅周期在x和y方向
 材料自动设定
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 由于这是一个通用的可编程界面，光栅周期必须在周期选项卡中设置。

 这也意味着光栅的定义及其参数可以通过调整定义结构的代码很容易地进行调整。

4. 高级选项&信息
 在传播菜单中有几个高级选项可用。
 propagation method选项卡允许编辑FMM算法的精度设置。
 可以设置每个方向上考虑的总阶数或倏逝波阶数。
 这可能是有用的，尤其是如果考虑金属光栅。
 相反，对于电介质光栅，默认设置就足够了。

 Advanced Settings选项卡提供关于结构分解的信息。
 层分解和过渡点分解设置可用于调整结构的离散性。默认设置适用于几乎所有光栅结构。
 此外，还提供了关于层数和转换点的信息。
 分解预览按钮提供了用于FMM计算的结构数据的描述。折射率用色标表示。

5. 关于探测器位置的注释
 在VirtualLab中，探测器默认位于基底后面的空气中。
 如果光栅包含在复杂的光学设置中，这是必要的。
 然而，完美的平面和平行的基底可能会产生一些干扰效果，而在现实中不会发生。
 因此，为了计算光栅效率，将检测器设置在基底材料内部是合适的(大多数光栅评估软件也是如此)。
 这避免了那些干扰效果的不良影响。

6. 文件信息

（来源：讯技光电）

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