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引言
, K9 z9 E7 k' n& x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。3 w/ x5 _0 ^" o6 P* Y
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Meta Studio簡介
) B5 z" V4 q/ K( j- v: {0 eMeta 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)。# U5 p0 n- A3 ~; a2 | C
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$ R! \# s1 n( |圖1:Meta Studio中使用的物理光學(xué)角譜衍射方法示意圖。6 G9 C6 b$ p- [ z" `" S
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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。7 j9 Z! N% n: x: |8 n; K. h
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Meta Studio的主要功能8 z5 V( W, E* C4 D. Z: a
Meta Studio提供了全面的超透鏡設(shè)計工具,包括:8 ?. t9 N' h% G! O F r3 p- B
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。
/ q8 a |8 T4 ]# Y& u' |' ]8 g2. 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)。' N8 I' V* B0 A4 k( ]: T' B; H/ V
3. 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。
0 g9 g w# T8 y8 g3 D9 l: P4. 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。. v6 a: l& u7 K& z& P' k6 Q& Z
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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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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。5 \7 }4 N4 E' D# I! u
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Meta Studio的設(shè)計工作流程; y! K( p" h6 x: a2 s% H# }7 l
Meta Studio的典型設(shè)計工作流程包括以下幾個關(guān)鍵步驟:
5 ^! E: o9 O) a! _% t% s; x4 k1. 確定設(shè)計目標(biāo):指定超透鏡所需的功能和性能指標(biāo)。9 ^* A( F/ }( a! ]3 |( g
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。
; a& T8 o E! ~# y |4 X3. 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)。! s: Q" ]/ T2 H& R' l* J7 J
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。* `. o# }+ l8 M# g% y
5. 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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6 R: a& Z, L1 P& B* n0 [圖3:Meta Studio中超表面設(shè)計過程的流程圖。4 o* ~' v1 c7 U$ H! ?; {( A$ N1 n
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對于更高級的應(yīng)用,Meta Studio還支持逆向設(shè)計過程:
7 S1 o: K2 t( ~$ V7 W5 J6 p1. 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)。 _4 _* K0 q0 W
2. 初始超表面設(shè)計:使用超原子庫創(chuàng)建初始設(shè)計。 _# Q: Z' ]; m6 q9 k' Z3 ~# F' g( c
3. 正向仿真和評估:進(jìn)行仿真并評估成本函數(shù)。 z" f5 ^9 p O M. \. _
4. 梯度計算和設(shè)計更新:計算梯度并迭代更新設(shè)計。; `, Q/ J! n" A6 e$ p3 o
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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圖4:Meta Studio中超表面逆向設(shè)計過程的流程圖。
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4 d" ]; f. t& a- G. v" a% y G案例研究5 o* K: C* m8 l7 Q# B
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。 ~6 e4 G3 L% g* }
1. 雙曲相位透鏡
4 w: n' n2 a3 u. C1 {+ I1 M設(shè)計了一個具有以下參數(shù)的雙曲相位透鏡:
- B( v' |3 F: V波長:633 nm超表面直徑:30λ焦距:10λ超原子周期:320 nm4級離散相位控制8 Q+ ^' W3 g: p2 J$ p# j
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/ t' J8 m1 e" J圖5:雙曲相位透鏡的器件版圖和聚焦示意圖。5 f$ I* V# F! f: G3 \
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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。
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; f( \. L* J5 b圖6:雙曲相位透鏡的Meta Studio結(jié)果與FDTD仿真的對比。& X" _6 ^. n9 q& u( A
^, J: Y Q7 n& i' C2. 無衍射錐透鏡
& ]4 P. o$ h- ]8 c; z$ s) X/ s創(chuàng)建了一個具有以下規(guī)格的無衍射錐透鏡:
5 y; b1 }1 o! }' M波長:633 nm超表面直徑:30λ錐角:45°超原子周期:320 nm4級離散相位控制8 y) w8 ^/ t4 t8 w$ |
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+ [1 O) ?- u* E: i圖7:無衍射錐透鏡的器件版圖和聚焦示意圖。3 Y1 y5 P8 H' c; n
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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。1 I" Q `; F7 ]
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1 @. V8 \+ _% I; A9 S# l% n3 m圖8:無衍射錐透鏡的Meta Studio結(jié)果與FDTD仿真的對比。/ ^2 S* K2 ~6 p( B4 F! q8 X; _
1 I6 ?7 ~ u6 R7 L; \3. 準(zhǔn)直器
9 R$ J T& u: V$ _: G設(shè)計了一個具有以下參數(shù)的超表面準(zhǔn)直器:
+ J' c% R; g, h5 X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 nm4級離散相位控制
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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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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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' H1 c/ l6 J# X# z0 g2 ~圖10:Meta Studio和FDTD仿真得到的準(zhǔn)直波前相位對比。- E! v/ U: |* A' U$ X
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結(jié)論: o2 d$ K" G8 e# ]
Meta Studio為超表面器件的設(shè)計、仿真和版圖生成提供了強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。
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( w1 E" m7 H; o# W* g2 z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。
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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。" ^: H q" d- a( s+ N" m' E. y p: C
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8 X4 i3 }- [% I/ h. O+ q9 H+ I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)。: w7 k( I; D( y$ t( Y% Z" a
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