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。

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)

 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。

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。

 

 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。、

 

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。

 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。

可以在光学设置编辑器中更改此材料。

 

 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. 柱状光栅介质参数

通过以下参数定义柱状光栅：

 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

 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。

 

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。

 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)。

 

基于界面的定义类型

(例如：截锥光栅)

1. 堆栈编辑器

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。

 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。

 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。

