本案例將解釋如何在VirtualLab中進行三維光柵建模

本案例所使用的工具箱為光柵工具箱

基于堆棧結(jié)構(gòu)進行光柵模擬的光柵工具箱具有兩種類型的光柵，分別為二維（2D）光柵和三維（3D）光柵

基于堆棧的光柵元件包含一個基板(base block)，堆棧(stack)則位于基板的邊界上，基板為均勻介質(zhì)，下圖為三種類型的堆棧-基板結(jié)構(gòu)

建模步驟如下：

1. 進入VirtualLab軟件主窗口，通過解決方案(Solutions)-光柵工具箱(Grating Toolbox)-三維光柵工具箱(3D Grating Toolbox)-一般光柵(General Grating Light Path Diagram)，以創(chuàng)建光路流程圖(light path diagram，簡稱LPD)

2. 雙擊LPD中的一般三維光柵(General Grating 3D)，進入光柵編輯窗口

3. (1)在結(jié)構(gòu)/功能(Structure/Function)子窗口中將第一個光學界面選擇作為堆棧(Use Stack on First Interface)，之后點擊“加載(Load)”進入VirtualLab預設堆棧目錄； (2)選擇體光柵(Volume Grating)；(3)點擊“編輯(Edit)”進入堆棧編輯窗口，如下圖所示

4. 在VirtualLab中，堆棧的定義是通過設定兩個或兩個以上平行光學界面之間填充介質(zhì)實現(xiàn)的�，F(xiàn)在我們演示如何在由兩個光學界面定義的堆棧中更換填充介質(zhì)。 (1)在光柵堆棧編輯窗口，點擊“加載(Load)”，進入介質(zhì)目錄； (2)在柱型介質(zhì)(Pillar Media)中選擇鉻柱(Chromium Pillars)作為光學界面間的介質(zhì)

5. 點擊“編輯(Edit)”進入介質(zhì)界面，確認介質(zhì)無誤后點擊“預覽  ”， 在預覽窗口改變預覽范圍，以便于清晰展示折射率分布

6. 將堆棧的兩光學界面間距離改為1um，同時改變堆棧周期(Stack Period)，如下圖所示

7. 要使用傅里葉模態(tài)法(Fourier Modal Method，簡稱FMM)進行光柵模擬，需要將用于描述光柵的介質(zhì)折射率分布，即 ，離散化。在VirtualLab中，離散化是通過設置分立的折射率轉(zhuǎn)變點(transition points)實現(xiàn)的。下面調(diào)整介質(zhì)折射率離散化相關(guān)的數(shù)值設置，進入傳播(Propagation)子窗口中，選擇高級設置(Advanced Settings)，在轉(zhuǎn)變點離散化(Transition Point Decomposition)下使用默認的精確因子(Accuracy Factor)為1，進行離散化預覽(Decomposition Preview)，然后將精確因子調(diào)整到3，然后再次進行離散化預覽

PS：通過提高精確因子，增加了取樣點數(shù)，可以看出光柵結(jié)構(gòu)的分辨率更高，因此可以更精確的模擬光柵結(jié)構(gòu)，但同時也需要耗費更多的計算時間

8. 配置傅里葉模態(tài)法（FMM），在傳播方法(Propagation Methods)標簽下，點擊”編輯”(Edit)進入FMM配置窗口，選擇衍射級數(shù)目(Number of Diffraction Orders)。衍射級數(shù)目表示使用FMM方法時所考慮計算的衍射級次總數(shù)。

9. 如何選擇衍射級數(shù)目？新建參數(shù)遍歷(New Parameter Run)，將衍射級數(shù)目設置為變量，逐步增加衍射級數(shù)目，使用光柵衍射效率分析器(Grating Efficiency Analyzer)確定要獲得真實可信的結(jié)果（衍射效率達到收斂時）所需要用到的衍射級數(shù)目。操作如下圖：

PS：由反射率和迭代步數(shù)之間的曲線圖可以看出，當衍射級次數(shù)為21時，計算的結(jié)果趨于穩(wěn)定，即結(jié)果收斂

10. 調(diào)整衍射級數(shù)目，進入光柵編輯窗口中的傳播(Propagation)子界面，將X和Y方向上的的衍射級數(shù)目都改為21

11. 進行近場計算，通過點擊Go! ，計算光柵的透射場和反射場  

12. 光柵效率計算，雙擊 ，進入光柵衍射效率分析器（Grating Efficiency Analyzer (3D)），設置如下

13. 將模擬類型改成光柵衍射效率分析器，點擊Go，開始進行光柵效率計算