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2023-05-26 16:08 |
Zemax & Lumerical | 二维光栅出瞳扩展系统优化
简介 xO,;4uE @D `j 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。 j |o&T41 @O-\s q 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|``A5zQ VWzuV&;P 本篇文章将分为上下两个部分。(联系我们获取文章附件) wfcR[ #hMkajG 概述 (v?
rZv 4x@W]*i 我们将首先在 Lumerical 和 OpticStudio 中构建仿真系统,它们是动态链接的。 \'iy(8i ` K0PLxSv 然后,OpticStudio 通过 Python 节点链接到 optiSLang 进行优化,如图1所示。 GCv1x->
C?'s [attachment=118097] AN|f:259 cRNVqMpg 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。 iM6(bmc. ^62I 5k/u 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。 ZvO1=*
J, WN#2<XjG [attachment=118098] i->G{_gH ?[Ma" l> 图 2 光栅布局图以及光线在K空间的传播 \=&Z_6Mu =qL^#h83y 第 1 步:系统设置 (Lumerical) T7O) G-;EB 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。 y=[{:
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5z 1b) [attachment=118099] ;cp||uO u]ps-R_$G 图 3 耦入光栅结构为二元光栅。 .3cD.']% !(Q@1c&z 第二个 .fsp 文件如图 4 所示,它是一个具有 7 个变量的平行四边形柱体。在优化期间,耦出中的每个区都将使用不同的变量组合集进行优化 。有关优化设置的更多信息将在优化设置部分中进行说明。 sBqOcy 9U=6l]Np [attachment=118100] P97i<pB Y_ -dfs8 [i 图 4 耦出光栅中的结构为平行四边形支柱。 sOS^ { 9\/aXPS 这两个.fsp文件都是用动态链接的形式在 OpticStudio 中用于模拟完整的EPE系统。 }n'W0Sa &!M6{O=~ 第 2 步:系统设置(OpticStudio) JeA_mtSQ| o=xMaA 如图5所示,在该系统中,准直光束入射到耦入光栅上,通过波导传播,并与第二个光栅耦合。眼盒位于第二个光栅的较远部分。优化的目标是优化眼盒接收的均匀性和总功率。 {SRD\&J[ )p:+!sX( [attachment=118101] ~@[<y1g?nG l
m(mY$B*_ 图 5 初始EPE系统和眼盒辐照度。 $&Z#2
X. xj3{Ke`6 在附件中有一个 OpticStudio 中建立的整个EPE系统的 zar 文件。如图 6 所示,仅构建了第二个光栅一半的区域。这是因为系统具有对称性。从图 7 可以看出,探测器的参数镜像设置为 1,这意味着在光线追迹期间,将始终对-x和+x部分进行镜像。这样一来,我们可以只用一半的光线获得相同的模拟结果。 A:pD:}fm}D I{.t-3hp [attachment=118102] 2k&Voa \|M[W~8 图 6 OpticStudio 中的 EPE 系统设置。 'Z#>K* Fzy#!^9Nu [attachment=118103] u),.q7(m &0J8ICd= 图7 探测器的镜像参数设置为 1,这意味着该探测器在 x 方向上镜像。 6BEDk!
Q:b0! 可以看出, 系统中的所有光栅物体都已使用动态链接 DLL 进行设置,如图 8所示。 A* Pz-z>z >}JEX]V [attachment=118104] bMv[.Z@v( %P(2uesd 图 8 为 EPE 系统中的光栅加载动态链接 DLL。 soX^$l
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nC?`[ 第3步:优化设置(optiSLang) (*V!V3E3# Ag8lI+
h 3-1.Python 用于评估系统 av:%wJUl,$ IMzt1l
=7 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。 9JJ6$cLF S?VKzVDB.S 代码的基本结构首先由 OpticStudio 中的按钮生成,如图 9 所示。 c%+uji6 y6MkaHW[m 图 9 生成 Python 交互式扩展代码的样板。 LCq1F(q ,\d03wha [attachment=118105] Y@T$O<* :7(d6gEL 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。 ?Jgqb3+!o j_0l'S aj [attachment=118106] &4l!2 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。 &SPr#OkW `Ao"fRv# [attachment=118107] wgq=9\+& I'N!j>5oX 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。 [ lK`~MlQ WHfl|e [attachment=118108] Y/pK ~SsfkM" 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。 6wXy;!2 =GeGlI6 [attachment=118109] n0%S: ( G(t&(t`[ [attachment=118110] \{ C
~B;= !d[]Qt%mA 图 10 从 4 个角插值的各个区的参数计算。 5-S-r9 {>TAnb?n optiSLang 按照预定义的优化算法改变这些参数。不同的参数值被设置到 python 代码中,这将进一步设置 OpticStudio 中每个光栅块的参数。在这个过程中,Python代码扮演着将这些变量转换为 OpticStudio 中精确参数的工作。只有当我们使用 optiSLang 而不是 OpticStudio 中的内置优化器优化系统时,这种预数据处理才有可能。通过这种方式,optiSLang 可以根据一些未直接暴露在OpticStudio UI中的虚拟或高级变量来优化系统。 u^x<xw6f 0}T56aD=! 设置参数后,我们使用以下代码段追迹光线。 7; ?7q wWq-zGH|& | |