Lumerical 次波长数据模型与几何光学联合仿真

高级专业技术文章：Lumerical次波长模型的输出在光学仿真中的应用及处理方法

引言

在现代光学设计与分析中，Lumerical次波长模型（LSWM）成为了一种强大的工具，用于模拟纳米尺度结构的光学行为，特别是那些其特征尺寸与光波长相当或更小的结构，如涂层和衍射光栅等。LSWM输出的光学表面属性，以JSON文件格式储存，可以被转化为几何光学模型中仿真的输入参数，进而提高了仿真精度与效率。本文着重探讨LSWM如何从Lumerical仿真中提取表面散射数据，并简述在专门软件（如Ansys Speos和Zemax OpticStudio）中的应用。

Lumerical求解器与次波长模型的结合




Lumerical提供了三种主要的求解器——FDTD、RCWA和STACK，并采用次波长模型LSWM，以模拟不同的结构类型。以下是其中的几种应用案例：

平面叠层：适用于具有镜面散射和透射表面的涂层结构，STACK求解器是理想的选择。

衍射光栅：状态埋头针轴线堆叠的空间周期性结构，其散射特性遵循物理边界条件。LSWM支持1D和二维光栅类型，并支持FDTD或RCWA来模拟。

仿真流程与JSON文件

在Lumerical中建立仿真模型后，通过特殊的脚本功能从仿真中导出表面散射数据。这些数据以JSON格式保存于磁盘，并可以通过特定的工具和API加载至其他光学设计软件，如Ansys Speos和Zemax OpticStudio，用以继续更复杂的几何光学仿真。

脚本操作指南


脚本初始化：定义需计算的入射条件（角度、波长范围）并启动仿真过程。

数据输出：使用`WriteGratingData`函数将Lumerical结果存储为适合于其他软件使用的JSON格式。

模式验证：通过`validateWithLegacySupport`过程确保数据格式的正确性和与预期模型的一致性。

数据读取与可视化：使用`ReadGratingData`将JSON文件中的数据转换为易于分析和视觉化的矩阵形式，并通过适当的可视化工具进行检查和调整。

求解器特性与转换流程

由于FDTD和RCWA对不同类型的次波长结构有不同的优化点，仿真执行的脚本流程与特定的求解器相关联：

平面叠层案例：使用STACK进行初步建模，然后将结果导出。


衍射光栅案例：

RCWA方法：基于FDTD或RCWA仿真区域定录，通过特殊的`RCWAGratingSimulations`函数执行。

FDTD方法：除了常规的几何模拟，还调用`RunFDTDGratingSimulations`以获取更细节的FDTD结果显示和数据处理。

结果比较与实现优化

利用比较脚本比较不同方法（如FDTD与RCWA）的仿真结果，可观察到相同光栅结构在不同求解器下的特性及一致性的验证。这一过程不仅限于特定角度和波长的快速评估，还需要根据模型的特定需求调整参数设置，以实现最佳仿真质量。案例研究中，增加FDTD网格精度或RCWA层数和K向量数量可以得到更精确的一致性结果。

理想化表面封装

除了能处理复杂的实际结构，Lumerical也提供了工具用于产生理想化的表面模型数据。这包括简单反射率/透射率数据、基于琼斯矩阵的复杂场景构建等，有助于深入了解不同的物理现象而无需面临仿真时间较长的问题。

总之，Lumerical次波长模型及其与仿真软件的集成带来了对纳米尺度光学结构精确模拟的能力，显著增强了光学设计的创新性和效率。通过细致的脚本管理和数据分析方法，优化了仿真过程，提升了在远程可控工业级设计中的应用价值。