光柵薄膜的案例
面向光柵薄膜光學(xué)性能探究的Rsoft建模與仿真
光柵薄膜被廣泛運(yùn)用于光伏發(fā)電，光學(xué)薄膜和減反射涂層的場(chǎng)景中。不同的光柵尺寸設(shè)置可以達(dá)到不同的減反射效果。本案利用Rsoft軟件介紹光柵薄膜的建模與仿真。
1. 新建仿真模塊
Simulation tool選擇DiffractionMOD，即衍射模塊求解工具。由于目標(biāo)模型是周期性光柵結(jié)構(gòu)，一次仿真Dimension選擇2D。
2. 添加模型結(jié)構(gòu)幾何體
點(diǎn)擊segment后在需要建立的位置畫出該幾何體的大致樣子，主要是確定幾何體的兩個(gè)端位置。
右擊生成的幾何體，具體編輯其尺寸和材料屬性。在模塊尚未引入任何材料的前提下，需要添加接下來使用的材料。點(diǎn)擊Materials控件，進(jìn)入編輯材料。
本模型中光柵基底為Si材料，光柵為InP材料，因此需要在材料庫中查詢半導(dǎo)體材料。雙擊semiconductor后展開材料庫，依次點(diǎn)擊選擇InP和Si后，點(diǎn)擊右方Use Material，將兩種材料引入模型。
在幾何體上依次編輯材料下拉框選擇屬性。
材料屬性定義完成后繼續(xù)定義幾何體尺寸。
*注意Rsoft軟件中長度單位默認(rèn)為um。
3. 定義全局變量
在Rsoft中，一種方便確定各數(shù)值大小的方法是定義全局變量，使用全局變量進(jìn)行數(shù)值大小確定，在依賴性較強(qiáng)的設(shè)置中非常實(shí)用。
點(diǎn)擊Edit Symbols，添加變量名稱和數(shù)值。
點(diǎn)擊New symbol后編輯變量名稱name和表達(dá)式。這里需要定義光柵常數(shù)即用period周期值表示，本案中設(shè)為1um。
4. 設(shè)定光柵和基底的寬度
同樣分別右擊光柵和基底，在Component Width中輸入該式。注意本案中光柵常數(shù)為1um，光柵寬為0.5um。
展開 [VirtualLab] 諧振波導(dǎo)光柵的嚴(yán)格分析
摘要
諧振波導(dǎo)光柵(RWG)由于其在波長、相位和偏振等方面的可調(diào)諧性，在研究和工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。RWG的結(jié)構(gòu)包含一個(gè)薄的高折射率波導(dǎo)薄膜，該薄膜與光柵接觸。波導(dǎo)支持多種導(dǎo)模，并且根據(jù)厚度的不同，模式的數(shù)量也不同。在這個(gè)例子中，我們應(yīng)用VirtualLab Fusion中的傅立葉模態(tài)法(FMM)嚴(yán)格分析RWG的性質(zhì)。
建模任務(wù)
不同波長和厚度的反射率
不同波長和厚度的反射率
仿真結(jié)果來自參考文獻(xiàn)：
G. Quaranta, G. Basset, O. J. F. Martin, and B. Gallinet, Laser & Photonics Reviews 2018, 12, 1800017. [Fig. 3 a)
VirtualLab Fusion的仿真結(jié)果
特定波導(dǎo)厚度的反射率
特定波導(dǎo)厚度的反射率
仿真結(jié)果來自參考文獻(xiàn)：
G. Quaranta, G. Basset, O. J. F. Martin, and B. Gallinet, Laser & Photonics Reviews 2018, 12, 1800017.
展開 諧振波導(dǎo)光柵的嚴(yán)格分析
摘要
諧振波導(dǎo)光柵(RWG)由于其在波長、相位和偏振等方面的可調(diào)諧性，在研究和工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。RWG的結(jié)構(gòu)包含一個(gè)薄的高折射率波導(dǎo)薄膜，該薄膜與光柵接觸。波導(dǎo)支持多種導(dǎo)模，并且根據(jù)厚度的不同，模式的數(shù)量也不同。在這個(gè)例子中，我們應(yīng)用VirtualLab Fusion中的傅立葉模態(tài)法(FMM)嚴(yán)格分析RWG的性質(zhì)。
建模任務(wù)
不同波長和厚度的反射率
不同波長和厚度的反射率
仿真結(jié)果來自參考文獻(xiàn)：
G. Quaranta, G. Basset, O. J. F. Martin, and B. Gallinet, Laser & Photonics Reviews 2018, 12, 1800017. [Fig. 3 a)
VirtualLab Fusion的仿真結(jié)果
特定波導(dǎo)厚度的反射率
特定波導(dǎo)厚度的反射率
仿真結(jié)果來自參考文獻(xiàn)：
G. Quaranta, G. Basset, O. J. F. Martin, and B. Gallinet, Laser & Photonics Reviews 2018, 12, 1800017.
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摘要
諧振波導(dǎo)光柵(RWG)由于其在波長、相位和偏振等方面的可調(diào)諧性，在研究和工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。RWG的結(jié)構(gòu)包含一個(gè)薄的高折射率波導(dǎo)薄膜，該薄膜與光柵接觸。波導(dǎo)支持多種導(dǎo)模，并且根據(jù)厚度的不同，模式的數(shù)量也不同。在這個(gè)例子中，我們應(yīng)用VirtualLab Fusion中的傅立葉模態(tài)法(FMM)嚴(yán)格分析RWG的性質(zhì)。
建模任務(wù)
不同波長和厚度的反射率
不同波長和厚度的反射率
仿真結(jié)果來自參考文獻(xiàn)：
G. Quaranta, G. Basset, O. J. F. Martin, and B. Gallinet, Laser & Photonics Reviews 2018, 12, 1800017. [Fig. 3 a)
VirtualLab Fusion的仿真結(jié)果
特定波導(dǎo)厚度的反射率
特定波導(dǎo)厚度的反射率
仿真結(jié)果來自參考文獻(xiàn)：
G. Quaranta, G. Basset, O. J. F. Martin, and B. Gallinet, Laser & Photonics Reviews 2018, 12, 1800017.
展開 
光波導(dǎo)：主流AR眼鏡的核心顯示技術(shù)
制作過程也是先將一層有機(jī)薄膜涂在玻璃基底上，然后通過兩個(gè)激光光束產(chǎn)生干涉條紋對(duì)薄膜進(jìn)行曝光，明暗干涉條紋會(huì)引起材料不同的曝光特性，導(dǎo)致薄膜內(nèi)出現(xiàn)了折射率差(Δn, index contrast)，即生成了衍射光柵必備的周期性。
由于體光柵由于受到可利用材料的限制，能夠?qū)崿F(xiàn)的Δn有限，導(dǎo)致它目前在FOV、光效率、清晰度等方面都還未達(dá)到與表面浮雕光柵同等的水平。但是由于它在設(shè)計(jì)壁壘、工藝難度和制造成本上都有一定優(yōu)勢(shì)，業(yè)內(nèi)對(duì)這個(gè)方向的探索從未停歇。
總結(jié)
好了，說了這么多，讓我們比較下光波導(dǎo)的各個(gè)技術(shù)方案來看看究竟花落誰家，為了方便大家橫向比較我們總結(jié)了一個(gè)比較詳細(xì)的表格。
其中幾何光波導(dǎo)基于傳統(tǒng)光學(xué)的設(shè)計(jì)理念和制造工藝，并且實(shí)現(xiàn)了一維擴(kuò)瞳。它的龍頭老大是以色列公司Lumus，目前demo了55度FOV，成像亮度和質(zhì)量都非常好。
但遺憾的是幾何光波導(dǎo)的制造工藝非常繁冗，導(dǎo)致最終的良率堪憂，由于市面上還沒有出現(xiàn)達(dá)到消費(fèi)級(jí)別的AR眼鏡產(chǎn)品，它的可量產(chǎn)性還是一個(gè)未知數(shù)。
衍射光波導(dǎo)得益于微納米結(jié)構(gòu)和“平面光學(xué)”的技術(shù)發(fā)展，能夠?qū)崿F(xiàn)二維擴(kuò)瞳。其中主流的表面浮雕光柵被多家明星公司使用并用消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品證明了它的可量產(chǎn)性，其中HoloLens II達(dá)到了52度FOV。 另外一種全息體光柵也在平行發(fā)展中，如果能夠在材料上突破瓶頸以提升光學(xué)參數(shù)，未來量產(chǎn)也很有希望。我們認(rèn)為，衍射光波導(dǎo)具體說表面浮雕光柵方案是目前AR眼鏡走向消費(fèi)市場(chǎng)的不二之選。
展開 面向大口徑超薄平面光學(xué)器件及應(yīng)用：PB相位液晶光子技術(shù)
圖4 平面可調(diào)液晶平板透鏡
（2）偏振選擇衍射光柵
液晶聚合物光學(xué)薄膜最典型的一個(gè)應(yīng)用便是聚合物薄膜偏振光柵（Polarization grating ，PG）（圖2b）。其作為一種“薄膜棱鏡”，同時(shí)具備高效偏振手性拆分和獨(dú)特的分束器的功能。PG可將入射光衍射成只有正負(fù)一級(jí)的兩個(gè)光束（無更高階衍射），而輸出光束具有相反的圓偏振態(tài)（圖5）。而衍射角由薄膜的設(shè)計(jì)液晶分子取向周期Λ決定。可將圓偏轉(zhuǎn)光衍射至+1級(jí)或-1級(jí)，與機(jī)械式偏轉(zhuǎn)器件相比，在體積大小，重量，功耗等方面都具有無法比擬的明顯優(yōu)勢(shì)，在控制光束偏轉(zhuǎn)、手性分離、紅外凝視系統(tǒng)、激光掃描系統(tǒng)、偏振成像系統(tǒng)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。
圖5 液晶偏振光柵工作原理
（3）寬波段工作液晶平面光柵
液晶聚合物光學(xué)薄膜可實(shí)現(xiàn)寬波段高衍射效率的需求。通常，寬波段高衍射效率可通過堆疊多層光學(xué)波片實(shí)現(xiàn)。然而，對(duì)于液晶聚合物材料，其額外具有一個(gè)扭曲自由度。通過在各個(gè)層中混合并匹配液晶材料的扭曲角度和薄膜厚度，可以實(shí)現(xiàn)寬帶波片和寬帶衍射器件的新架構(gòu)。例如，多層扭曲結(jié)構(gòu)（圖6a）、鏡像扭曲結(jié)構(gòu)、以及扭曲-均勻-扭曲結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，具有寬波段衍射效率以及較大的偏差容忍度。注意到在整個(gè)可見光波段衍射效率都很高，大于98％，而從500到650 nm的衍射效率則高達(dá)99％（圖6b）。圖5c實(shí)測(cè)衍射效率和理論對(duì)比一致，證明了技術(shù)的成熟性和精確性。
圖6 寬波段液晶聚合物衍射元件。（a）雙層扭曲液晶分子排列示意圖，（b）寬波段液晶光柵衍射效率對(duì)比
（4）偏振渦旋片
液晶渦旋半波片（圖7），液晶分子指向沿角向連續(xù)對(duì)稱分布，即快軸方向在通光口徑中連續(xù)旋轉(zhuǎn)。
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