摘要

在多种光学应用中，如背光系统、光学连接器以及近眼显示设备，如何实现将光线高效地导入波导结构始终是一个关键挑战。倾斜光栅因其在单色光耦合方面的高效率而被广泛采用。本案例展示了基于严格傅里叶模态法（FMM，亦称RCWA）对倾斜光栅进行优化的设计过程。针对特定衍射方向与级次，优化后的光栅可实现超过90%的衍射效率。同时，研究还探讨了制造过程中可能出现的斜率偏差及光栅边缘圆角化对性能的影响。

设计目标

本工作的核心目标是设计一种高效的倾斜光栅结构，使其能够在指定入射条件下，将入射光最大程度地耦合至所需衍射级次。通过精确控制光栅参数，提升整体系统的光学传输效率，并评估其在实际加工误差下的稳定性。

一级参数优化

为了达到最优的衍射性能，首先对光栅的关键几何参数进行了系统性优化，包括周期、占空比、倾斜角度和刻蚀深度等。借助数值仿真工具，利用参数扫描与优化算法结合的方式，锁定能够实现最高一级衍射效率的结构配置。

结果：容差分析

在获得最优结构后，进一步开展容差分析以评估其对制造偏差的敏感度。重点考察了光栅斜率变化以及侧壁圆角效应所带来的衍射效率波动。分析结果显示，尽管存在一定程度的工艺偏差，该结构仍能维持较高的耦合效率，具备良好的鲁棒性。

此外，通过对多个变量进行联合扰动模拟，验证了器件在多因素共同影响下的性能表现，从而为后续的实际生产提供可靠的公差范围建议。

VirtualLab Fusion功能概览

本研究基于VirtualLab Fusion平台完成，该软件支持高精度电磁场仿真与复杂光学系统的建模。其内置的FMM求解器适用于周期性结构的分析，特别适合用于光栅类元件的衍射计算与优化任务。

工作流程说明

• 构建光栅结构
• 设定使用特殊材料的光栅模型
• 配置倾斜光栅的高级参数
• 执行光栅衍射效率分析
• 调用阶序分析器识别各衍射级次分布
• 通过参数优化模块调整结构参数以提升性能
• 利用参数运行功能开展容差分析

VirtualLab Fusion核心技术支持

该平台采用先进的物理光学引擎，结合严格的电磁理论模型，确保对微纳结构的光学响应进行准确预测。特别是其集成的RCWA/FMM算法，能够高效处理多层周期性结构，适用于各类衍射元件的设计与分析。

文件信息

相关仿真项目文件已按标准格式保存，包含完整的结构定义、光源设置、分析探测器及优化记录，便于复现与后续修改。

延伸阅读

• Parametric Optimization and Tolerance Analysis of Slanted Gratings
• Optimization of Lightguide Coupling Grating for Single Incidence Direction

构建光栅结构

在软件环境中，首先建立基本的二维或三维光栅几何模型，定义周期性单元及其排列方式。随后设置材料属性与边界条件，为后续仿真做好准备。

使用特殊材料的光栅结构设定

[用例]

根据实际应用场景选择具有特定折射率或色散特性的材料，例如高折射率介质或抗反射涂层材料，以增强器件的整体性能。

倾斜光栅高级设定

[用例]

通过自定义倾斜角度、非对称轮廓及多层堆叠结构，实现对衍射方向和效率的精细调控。

光栅衍射效率分析

利用FMM方法计算不同衍射级次的能量分布，获取各级次的衍射效率，并重点关注目标级次的表现。

光栅阶序分析器

[用例]

该工具用于可视化并量化各个衍射阶次的功率占比，帮助判断是否出现不必要的能量泄露到其他级次。

使用参数优化进行光栅参数优化

设定优化目标函数（如最大化一级衍射效率），并选择待优化变量，由系统自动迭代寻找最佳参数组合。

使用参数运行的容差分析

在最优设计基础上引入可控变量扰动，模拟制造误差，评估系统性能的变化趋势，进而确定可接受的加工公差范围。