Meta Studio：全面的超透鏡設(shè)計、仿真和版圖解決方案

逍遙設(shè)計自動化

引言
超透鏡技術(shù)在光學(xué)領(lǐng)域中展現(xiàn)出巨大潛力，在成像、傳感和通信等多個領(lǐng)域帶來變革。為了促進(jìn)這種先進(jìn)光學(xué)元件的設(shè)計和實現(xiàn)，逍遙科技開發(fā)了Meta Studio軟件套件來簡化超透鏡的設(shè)計過程。本文將指導(dǎo)您了解Meta Studio的主要特性和功能，展示如何利用該軟件創(chuàng)建高效且有效的超透鏡設(shè)計。

Meta Studio簡介
Meta Studio是集成解決方案，將超透鏡設(shè)計的各個方面整合在一起，從初始概念到最終版圖生成。該軟件融合了多種先進(jìn)算法和理論模型，包括粒子群優(yōu)化算法、物理光學(xué)、傅里葉光學(xué)、角譜衍射、時域有限差分法（FDTD）和嚴(yán)格耦合波分析（RCWA）。


圖1：Meta Studio中使用的物理光學(xué)角譜衍射方法示意圖。
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Meta Studio的核心優(yōu)勢在于能夠簡化復(fù)雜的設(shè)計過程，使工程師和研究人員更容易使用。通過利用物理光學(xué)方法進(jìn)行相位設(shè)計，并對超原子結(jié)構(gòu)進(jìn)行嚴(yán)格的數(shù)值模擬，該軟件確保了超透鏡設(shè)計的準(zhǔn)確性和效率。

Meta Studio的主要功能
Meta Studio提供了全面的超透鏡設(shè)計工具，包括：
1. 相位設(shè)計：用戶可以為各種超透鏡應(yīng)用創(chuàng)建自定義相位分布。
2 J' A8 N4 X* D4 o* p( U) q2. 超原子結(jié)構(gòu)設(shè)計：用戶可以設(shè)計和優(yōu)化構(gòu)成超透鏡的各個超原子結(jié)構(gòu)。
* {6 Z3 F8 x  K" s/ L$ B( S+ D3. 焦平面和傳播平面場分布：Meta Studio提供了不同平面上光場分布的詳細(xì)計算。
+ ?; n9 s' f8 ^( D6 t1 r8 K4. GDS導(dǎo)出：軟件可以生成符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的GDS文件，用于制造目的。
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圖2：使用Meta Studio設(shè)計的不同超表面器件示例。
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# p+ B' M# x' ]3 S4 ^/ e8 b這些功能使得創(chuàng)建各種超表面器件成為可能，包括雙曲相位透鏡、超分辨率聚焦透鏡、無衍射光束相位表面和準(zhǔn)直器。

# Q8 \2 D" R! b4 n8 d) nMeta Studio的設(shè)計工作流程
4 M* m3 s; T9 V6 w4 kMeta Studio的典型設(shè)計工作流程包括以下幾個關(guān)鍵步驟：
: A1 ]5 a! |( {8 q6 C1. 確定設(shè)計目標(biāo)：指定超透鏡所需的功能和性能指標(biāo)。
2. 超原子參數(shù)設(shè)計：設(shè)置超原子的結(jié)構(gòu)類型、幾何參數(shù)和材料屬性。
3. 優(yōu)化超原子庫：自動模擬和選擇特定材料和頻率下的最佳超原子結(jié)構(gòu)。
4. 目標(biāo)相位設(shè)計：根據(jù)所需功能設(shè)計或優(yōu)化相位分布。
1 f$ e+ a- x* G6 b5. 仿真和驗證：對排列好的超表面進(jìn)行光學(xué)仿真，驗證其性能是否達(dá)到設(shè)計目標(biāo)。
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圖3：Meta Studio中超表面設(shè)計過程的流程圖。
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4 V! u; |, `% |0 G對于更高級的應(yīng)用，Meta Studio還支持逆向設(shè)計過程：
1. 定義優(yōu)化成本函數(shù)：制定包含所需性能指標(biāo)的目標(biāo)函數(shù)。
* E. F3 p! `& N8 [2. 初始超表面設(shè)計：使用超原子庫創(chuàng)建初始設(shè)計。
4 l1 f1 e0 i" z7 k$ u3. 正向仿真和評估：進(jìn)行仿真并評估成本函數(shù)。
4. 梯度計算和設(shè)計更新：計算梯度并迭代更新設(shè)計。
5. 最終驗證：一旦設(shè)計滿足標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行最終仿真以驗證結(jié)果。

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6 ]) G1 l4 Y7 O' d( x圖4：Meta Studio中超表面逆向設(shè)計過程的流程圖。

案例研究
! f  |' [  l% R! j6 g3 k' r為了展示Meta Studio的功能，讓我們來看三個使用該軟件創(chuàng)建的超表面設(shè)計案例。
1. 雙曲相位透鏡
設(shè)計了一個具有以下參數(shù)的雙曲相位透鏡：
* g/ h. U! L6 [5 a# N- Q

波長：633 nm

超表面直徑：30λ

焦距：10λ

超原子周期：320 nm

4級離散相位控制
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圖5：雙曲相位透鏡的器件版圖和聚焦示意圖。
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設(shè)計過程包括相位設(shè)計、超原子結(jié)構(gòu)優(yōu)化和GDS文件導(dǎo)出。結(jié)果使用Ansys FDTD仿真進(jìn)行驗證，顯示Meta Studio的預(yù)測與全波仿真結(jié)果高度一致。


圖6：雙曲相位透鏡的Meta Studio結(jié)果與FDTD仿真的對比。

2. 無衍射錐透鏡
創(chuàng)建了一個具有以下規(guī)格的無衍射錐透鏡：

波長：633 nm

超表面直徑：30λ

錐角：45°

超原子周期：320 nm

4級離散相位控制
) y# F, W) @' M- _


4 o6 Y( u( b* @9 ~8 K8 n圖7：無衍射錐透鏡的器件版圖和聚焦示意圖。

設(shè)計過程與雙曲透鏡類似，包括相位設(shè)計、超原子優(yōu)化和GDS導(dǎo)出。FDTD仿真再次確認(rèn)了Meta Studio結(jié)果的準(zhǔn)確性。
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1 Q. L# [9 L5 @圖8：無衍射錐透鏡的Meta Studio結(jié)果與FDTD仿真的對比。

3. 準(zhǔn)直器
設(shè)計了一個具有以下參數(shù)的超表面準(zhǔn)直器：

波長：905 nm

超表面直徑：28λ

出射角：13°

光源位置：-175 μm（透鏡位于0處）

超原子周期：450 nm

4級離散相位控制



圖9：超表面準(zhǔn)直器的器件版圖和準(zhǔn)直示意圖。
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$ d% h8 i- Y% F1 y5 n" M$ ?準(zhǔn)直器設(shè)計展示了Meta Studio處理更復(fù)雜光學(xué)功能的能力。使用點光源的FDTD仿真驗證了結(jié)果，展示了出色的準(zhǔn)直性能。

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8 F" y- E: {* G2 l) F9 @) v/ P+ y1 Z9 h圖10：Meta Studio和FDTD仿真得到的準(zhǔn)直波前相位對比。

: I5 ]& Q+ a6 V' j* h3 T. Y2 J結(jié)論
. N5 u% t8 J/ B# E8 @; QMeta Studio為超表面器件的設(shè)計、仿真和版圖生成提供了強(qiáng)大且用戶友好的平臺。通過集成先進(jìn)算法、物理模型和優(yōu)化技術(shù)，使研究人員和工程師能夠高效地創(chuàng)建復(fù)雜的超透鏡設(shè)計。

所展示的案例研究證明了Meta Studio在各種超表面應(yīng)用中的多功能性和準(zhǔn)確性。從簡單的聚焦透鏡到復(fù)雜的無衍射光束和準(zhǔn)直器，該軟件提供了與嚴(yán)格的全波仿真高度一致的可靠結(jié)果。
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隨著超表面領(lǐng)域的不斷進(jìn)步，Meta Studio在加速創(chuàng)新和縮小理論概念與實際實現(xiàn)之間的差距方面將發(fā)揮重要作用。無論您是在研究成像系統(tǒng)、光束整形還是新型光學(xué)器件，Meta Studio都提供了全面的解決方案，以簡化您的超表面設(shè)計工作流程。

我們誠摯歡迎您申請試用Meta Studio軟件，我們期待聽到您的意見和建議，以確保Meta Studio能夠更好地滿足超表面設(shè)計社群的需求。無論您是經(jīng)驗豐富的研究人員還是剛剛接觸這一領(lǐng)域的新手，您的觀點都將對我們的開發(fā)過程產(chǎn)生重要影響。請通過我們的官方網(wǎng)站或聯(lián)系我們的技術(shù)支持團(tuán)隊來申請試用版本，讓我們攜手推動超表面技術(shù)的發(fā)展。

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2 r5 W1 _) E5 U: Q7 c深圳逍遙科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家專注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計自動化（EDA）的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設(shè)計和仿真軟件，提供成熟的設(shè)計解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分別針對光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù)，廣泛服務(wù)于光通訊、光計算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作，推動特色工藝半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。
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