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Ansys Lumerical 衍射光柵仿真實(shí)例

發(fā)布日期:
2022-11-01

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01 說明


此示例描述了衍射光柵對正入射寬帶平面波的響應(yīng)。Lumerical提供了一組光柵腳本以及“光柵階數(shù)傳輸”分析組,可以輕松計(jì)算常見結(jié)果,例如不同波長的光柵階數(shù)、衍射角和光柵效率,光柵分析組還可用于獲得特定光柵階數(shù)的功率分?jǐn)?shù)。


Ansys Lumerical 衍射光柵仿真實(shí)例



02 綜述



Ansys Lumerical 衍射光柵仿真實(shí)例


本例中的衍射光柵是平面上半橢球的二維陣列。一個(gè)寬帶(0.85~1μm)平面波通常從襯底入射到表面光柵上,從而在透射和反射區(qū)域產(chǎn)生多個(gè)衍射級?!肮鈻烹A次傳輸”分析組使用各種與光柵相關(guān)的命令,并返回對光柵的一般表征有用的綜合結(jié)果列表:

  • 光柵階數(shù)

  • 每個(gè)光柵階數(shù)的光柵效率

  • 每個(gè)光柵階的S或P偏振光的光柵效率

  • 每個(gè)光柵階的方向余弦(遠(yuǎn)場半球中的theta和phi值)


上述結(jié)果作為波長函數(shù)返回,可直接用于您的光柵設(shè)計(jì)或進(jìn)一步處理以產(chǎn)生您感興趣的品質(zhì)因數(shù)。



03 運(yùn)行和結(jié)果



在FDTD中打開并運(yùn)行仿真文件(diffraction_grating_FDTD.fsp.),然后打開并運(yùn)行腳本文件(diffraction_grating_FDTD.lsf.)


光柵階數(shù)與波長

下圖顯示了光柵在不同波長支持的透射/反射階數(shù)。可以注意到:

  • 光柵在更短波長支持更多的衍射級次。

  • 反射比透射顯示更多的光柵階數(shù)。這是因?yàn)榛宓恼凵渎?1.45)大于空氣的折射率,這意味著基板中的有效波長較短。這與上述觀察一致。

  • 透射和反射均顯示光柵階數(shù)在0.9μm處發(fā)生突變,低于0.9出現(xiàn)新的光柵階數(shù)。


Ansys Lumerical 衍射光柵仿真實(shí)例


特定衍射級與波長的分?jǐn)?shù)功率

在許多情況下,可能需要計(jì)算有多少透射/反射功率轉(zhuǎn)換為特定衍射級:


Ansys Lumerical 衍射光柵仿真實(shí)例


從下圖中可以看出:

  • 傳輸?shù)?0,0)階的T(0,0)與0.9μm以上波長的總傳輸相同。這是因?yàn)楣鈻艃H支持該波長范圍內(nèi)的單個(gè)傳輸階數(shù),如下圖所示。T_Total和T(0,0)之間的差異可歸因于透射到更高的衍射級,因?yàn)槭褂玫牟牧蠜]有吸收。

  • 對于反射,到(0,0)階的透射在整個(gè)波長范圍內(nèi)可以忽略不計(jì),這意味著大部分反射功率被轉(zhuǎn)換為更高階。

  • 在 0.9μm附近似乎有一些不連續(xù)性,這些與Wood’s anomaly 有關(guān),并且在光柵階數(shù)發(fā)生變化的波長處會(huì)很明顯。


Ansys Lumerical 衍射光柵仿真實(shí)例


特定衍射級與波長的衍射角

光柵的衍射角也取決于工作波長,并且對于不同的階數(shù)表現(xiàn)出不同的值。僅一的例外是(0,0)階,它由入射光束的角度固定(在本例中為theta=0和 phi=0)。下圖根據(jù)波長顯示了透射(0,1)級的衍射角。這個(gè)特定的階數(shù)開始出現(xiàn)在 0.9μm并且傳播幾乎平行于基板。隨著波長變短,其傳播方向移向極軸(本例中為z軸)。


Ansys Lumerical 衍射光柵仿真實(shí)例


特定波長的衍射效率和角度

了解特定波長的整個(gè)光柵階數(shù)的行為可以通過將每個(gè)支持的階數(shù)表示為遠(yuǎn)場半球中的一個(gè)點(diǎn)來可視化。下圖顯示了0.85μm的透射和反射階數(shù),結(jié)果與上述結(jié)果一致。


例如:

  • 透射和反射分別有 3個(gè)和11個(gè)衍射級。

  • 透射(0,1)級的衍射角約為70度。


Ansys Lumerical 衍射光柵仿真實(shí)例



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