本案例將解釋如何在VirtualLab中進(jìn)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(jìn)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(gè)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(jìn)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(jiǎn)稱LPD)

2. 雙擊LPD中的一般三維光柵(General Grating 3D)，進(jìn)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(gè)光學(xué)界面選擇作為堆棧(Use Stack on First Interface)，之后點(diǎn)擊“加載(Load)”進(jìn)入VirtualLab預(yù)設(shè)堆棧目錄； (2)選擇體光柵(Volume Grating)；(3)點(diǎn)擊“編輯(Edit)”進(jìn)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(shè)定兩個(gè)或兩個(gè)以上平行光學(xué)界面之間填充介質(zhì)實(shí)現(xiàn)的。現(xiàn)在我們演示如何在由兩個(gè)光學(xué)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(diǎn)擊“加載(Load)”，進(jìn)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(xué)界面間的介質(zhì)

5. 點(diǎn)擊“編輯(Edit)”進(jìn)入介質(zhì)界面，確認(rèn)介質(zhì)無(wú)誤后點(diǎn)擊“預(yù)覽  ”， 在預(yù)覽窗口改變預(yù)覽范圍，以便于清晰展示折射率分布

6. 將堆棧的兩光學(xué)界面間距離改為1um，同時(shí)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(jiǎn)稱FMM)進(jìn)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(shè)置分立的折射率轉(zhuǎn)變點(diǎn)(transition points)實(shí)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(shè)置，進(jìn)入傳播(Propagation)子窗口中，選擇高級(jí)設(shè)置(Advanced Settings)，在轉(zhuǎn)變點(diǎn)離散化(Transition Point Decomposition)下使用默認(rèn)的精確因子(Accuracy Factor)為1，進(jìn)行離散化預(yù)覽(Decomposition Preview)，然后將精確因子調(diào)整到3，然后再次進(jìn)行離散化預(yù)覽

PS：通過提高精確因子，增加了取樣點(diǎn)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(shí)也需要耗費(fèi)更多的計(jì)算時(shí)間

8. 配置傅里葉模態(tài)法（FMM），在傳播方法(Propagation Methods)標(biāo)簽下，點(diǎn)擊”編輯”(Edit)進(jìn)入FMM配置窗口，選擇衍射級(jí)數(shù)目(Number of Diffraction Orders)。衍射級(jí)數(shù)目表示使用FMM方法時(shí)所考慮計(jì)算的衍射級(jí)次總數(shù)。

9. 如何選擇衍射級(jí)數(shù)目？新建參數(shù)遍歷(New Parameter Run)，將衍射級(jí)數(shù)目設(shè)置為變量，逐步增加衍射級(jí)數(shù)目，使用光柵衍射效率分析器(Grating Efficiency Analyzer)確定要獲得真實(shí)可信的結(jié)果（衍射效率達(dá)到收斂時(shí)）所需要用到的衍射級(jí)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(dāng)衍射級(jí)次數(shù)為21時(shí)，計(jì)算的結(jié)果趨于穩(wěn)定，即結(jié)果收斂

10. 調(diào)整衍射級(jí)數(shù)目，進(jìn)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(jí)數(shù)目都改為21

11. 進(jìn)行近場(chǎng)計(jì)算，通過點(diǎn)擊Go! ，計(jì)算光柵的透射場(chǎng)和反射場(chǎng)  

12. 光柵效率計(jì)算，雙擊 ，進(jìn)入光柵衍射效率分析器（Grating Efficiency Analyzer (3D)），設(shè)置如下

13. 將模擬類型改成光柵衍射效率分析器，點(diǎn)擊Go，開始進(jìn)行光柵效率計(jì)算