如何設(shè)計(jì)一個(gè)傾斜表面浮雕光柵呢？

01 說明

在本例中設(shè)計(jì)了一個(gè)傾斜表面浮雕光柵(SRG, Slanted Surface Relief Grating) 將光耦合到單色增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)系統(tǒng)的波導(dǎo)中。光柵的幾何結(jié)構(gòu)經(jīng)過優(yōu)化將垂直入射光引導(dǎo)至光柵的-1級(jí)中，然后將光柵特性導(dǎo)出為L(zhǎng)umerical 亞波長(zhǎng)模型(LSWM, Lumerical Sub-Wavelength Model) JSON格式，以便在Speos中對(duì)該SRG進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)模擬。

02 綜述

SRG所設(shè)計(jì)的幾何參數(shù)為其傾斜角度、填充因子和高度，如下圖所示:

光柵和襯底的折射率為1.8，光柵被空氣包圍，周期為393nm。光柵將被優(yōu)化為將550nm波長(zhǎng)的光傳輸?shù)焦鈻诺?1級(jí)。我們將使用RCWA求解器來定義仿真參數(shù)并運(yùn)行和優(yōu)化仿真。

步驟1：內(nèi)耦合光柵的優(yōu)化

該步驟將使用Lumerical內(nèi)置的粒子群優(yōu)化（PSO）算法對(duì)SRG的傾斜角、填充因子和光柵高度進(jìn)行了優(yōu)化，以最大限度地將550nm波長(zhǎng)的S偏振傳輸?shù)?1光柵級(jí)。

初始設(shè)計(jì)的仿真結(jié)果顯示大約56%垂直入射的S偏振光被傳輸?shù)焦鈻诺?1級(jí)。然后將使用軟件的優(yōu)化功能優(yōu)化光柵幾何結(jié)構(gòu)以提升該數(shù)值。“optimization”對(duì)象包括SRG的傾斜角度、填充因子和光柵高度，傳輸?shù)絊偏振的光柵-1級(jí)的能量被用作品質(zhì)因數(shù)（FOM）。設(shè)定如下所示：

優(yōu)化后的幾何結(jié)構(gòu)中光柵-1級(jí)的衍射效率約為94.7%。需要注意的是，這種類型的光柵的FOM[1]可以具有多個(gè)局部最大值。雖然內(nèi)置的PSO工具是一種方便的快速優(yōu)化方法，但可以使用更先進(jìn)的優(yōu)化方法來充分探索參數(shù)空間。

步驟2：完整表征和數(shù)據(jù)導(dǎo)出

光柵優(yōu)化是利用來自光柵上方的垂直入射光來進(jìn)行。然而，一旦選定了優(yōu)化的幾何結(jié)構(gòu)，就必須針對(duì)光線追跡仿真中預(yù)期的入射角范圍以及前后方向計(jì)算完整的光柵特性。

首先，在RCWA中做如下參數(shù)設(shè)置：

propagation direction: both

incident angle: range

minimum theta: 0

maximum theta: 85

theta points: 18

minimum phi: 0

maximum phi: 360

phi points: 37

如上設(shè)置，針對(duì)前向和后向的指定入射角范圍計(jì)算了優(yōu)化的SRG的S參數(shù)。然后，這些結(jié)果被導(dǎo)出為L(zhǎng)SWM JSON格式，該文件適合使用腳本文件導(dǎo)入到Speos或Zemax中。

審核編輯：劉清