혁신은 경쟁력을 위한 필수 요소이며, 많은 광학 설계 팀은 여러 산업 분야의 시장 수요를 충족하는 기능을 지속적으로 향상시키기 위해 혁신의 경계를 넓혀가고 있습니다. 복잡한 광학 설계의 엔드투엔드 시뮬레이션을 위해 Ansys Zemax OpticStudio와 Ansys Lumerical이 어떻게 함께 작동하는지 살펴보겠습니다. 결정적인 결과를 보다 효율적이고 효과적으로 달성할 수 있는 알고리즘을 구축한 방법을 공유합니다.
OpticStudio와 Lumerical: 매크로 스케일과 나노 스케일 시뮬레이션 비교
OpticStudio는 광선 추적을 사용하여 광학 거동을 시뮬레이션하는 시스템 수준(매크로 스케일)에서 광학 설계 개발 및 허용 오차를 지원하므로 광학 설계자는 프로토타입 또는 제품 개발을 진행하기 전에 디지털 방식으로 설계를 허용 오차하고 개선할 수 있습니다. Lumerical은 메탈렌즈 및 광 집적 회로와 같은 서브파장 규모(나노 규모)에서 광학 부품 설계를 분석하고 시뮬레이션합니다.
OpticStudio와 Lumerical을 함께 사용하면 설계자는 나노 스케일과 매크로 스케일 수준에서 엔드투엔드 설계를 완벽하게 시뮬레이션할 수 있습니다. 회절 격자는 증강 현실(AR) 도파관 안팎으로 빛을 결합하는 데 자주 사용되는 나노 스케일 구조의 일종입니다.
이전 블로그에서 설명한 것처럼 회절 격자는 들어오는 평면파를 격자 오더라고 하는 나가는 평면파로 산란시키는 주기적인 광학 구조입니다. 회절 격자는 나노 규모이기 때문에 광학 팀은 일반적으로 독립형 광자 디바이스 또는 더 큰 광학 시스템 설계 내의 광자 요소를 설계할 때 광선 거동을 시뮬레이션하기 위해 Lumerical을 사용합니다.
회절은 고르지 않은 표면에서 광선의 산란을 일으키는 복잡한 물리학입니다. 이러한 광선을 정확하게 설명하려면 결과 이미지를 평가하는 데 필요한 정밀도 수준인 회절 효율 데이터가 필요합니다. 나노 크기의 주기 구조를 모델링해야 하는 광학 설계자는 종종 엄격한 결합파 분석(RCWA)이라는 방법을 사용합니다.
RCWA가 무엇인지 살펴본 다음 이 문제를 해결할 수 있는 Ansys Zemax 기능을 소개합니다.
엄밀한 결합파 분석이란?
RCWA 방법은 주기 구조에서 맥스웰 방정식을 풀기 위한 반해석 기법입니다. RCWA 방법에서는 구조를 균일한 층으로 나누고 각 층의 모드를 푸리에 공간에서 계산합니다. 그런 다음 모드를 인접한 레이어의 모드로 확장하여 해당 레이어 간에 빛이 결합되는 방식을 결정합니다. 이 시점에서 그림 1과 같이 특정 주파수 방향과 편광을 가진 평면파 소스를 각 층의 모드로 확장하여 구조를 통해 전파할 수 있습니다.
그림 1. Rigorous coupled-wave analysis (RCWA).
이 방법으로 계산할 수 있는 몇 가지 결과는 다음과 같습니다:
전송 및 반사된 총 전력
구조물 내부의 전기장 및 자기장
나가는 격자 주문의 상대 위상 및 진폭
RCWA 방법은 회절 격자 시뮬레이션에 일반적으로 사용됩니다. RCWA를 사용하면 격자의 특성과 들어오는 평면파를 감안하여 회절 격자에서 격자 차수의 방향, 진폭 및 위상을 얻을 수 있습니다.
그림 2. How RCWA applies to diffractive gratings.
RCWA 솔버: 대규모 레이 트레이싱 시스템을 위한 정확한 격자 시뮬레이션
그러나 회절 광학에 필요한 정밀도를 얻을 수 있는 상세한 분석을 수행하려면 맥스웰 방정식을 수행해야 합니다. 이를 위해 유니티는 격자 배열의 평면파의 상대 진폭과 위상을 계산하는 두 가지 종류의 RCWA 솔버, 즉 Lumerical의 2D RCWA 솔버와 OpticStudio의 1D RCWA 솔버를 만들었습니다.
이러한 RCWA 솔버는 다음과 같은 다양한 실제 애플리케이션에서 사용할 수 있습니다:
AR 도파관에 사용되는 일반적인 포토닉 디바이스인 동공 확장기.
휴대폰 기술의 새로운 혁신인 언더스크린 카메라.
프로젝터 마이크로 미러 어레이와 같은 마이크로 전자기계 시스템(MEMS) 애플리케이션.
나중에 블로그 게시물에서 설명할 라이더의 편리한 하위 집합인 플래시 라이더.
지금까지 모든 종류의 RCWA를 수행하는 것은 힘들고 수작업으로 이루어지는 경우가 많았습니다. 광학 및 광자 설계에 사용되는 시뮬레이션 도구가 아닌 외부 도구를 사용해야 했기 때문에 많은 인적 오류가 발생했습니다. 이 문제를 해결하기 위해 RCWA 솔버는 RCWA의 평면파를 OpticStudio에서 광선으로 변환합니다. 회절 격자를 표면처럼 취급하여 들어오는 평면파 또는 광선을 격자 순서에 따라 여러 개의 나가는 광선으로 산란시키면, RCWA 솔버를 사용하여 들어오는 광선의 방향에 따라 나가는 광선의 각도, 진폭 및 위상을 결정할 수 있습니다.
RCWA 솔버를 사용하면 회절 격자를 포함하는 광학 설계를 시뮬레이션할 때 다음과 같은 몇 가지 주요 이점을 얻을 수 있습니다:
복잡한 RCWA 알고리즘을 사용하여 계산되는 정확한 회절 효율
외부 도구로 전환하지 않고 단일 인터페이스 내에서 RCWA 계산
자동화된 계산과 통합 UI를 통해 더 빠른 결과를 얻을 수 있습니다
Lumerical과 OpticStudio 간에 결과 데이터 세트를 쉽게 공유할 수 있습니다
How RCWA Solvers Support Ongoing Innovation in Optical Technologies
ANSYS BLOG / APRIL 11, 2023
Author: Kerry Herbert / Product Marketing Manager, Ansys
https://www.ansys.com/ko-kr/blog/rcwa-supports-ongoing-optical-technology
RCWA 솔버가 광학 기술의 지속적인 혁신을 지원하는 방법
OpticStudio와 Lumerical: 매크로 스케일과 나노 스케일 시뮬레이션 비교
OpticStudio는 광선 추적을 사용하여 광학 거동을 시뮬레이션하는 시스템 수준(매크로 스케일)에서 광학 설계 개발 및 허용 오차를 지원하므로 광학 설계자는 프로토타입 또는 제품 개발을 진행하기 전에 디지털 방식으로 설계를 허용 오차하고 개선할 수 있습니다. Lumerical은 메탈렌즈 및 광 집적 회로와 같은 서브파장 규모(나노 규모)에서 광학 부품 설계를 분석하고 시뮬레이션합니다.
OpticStudio와 Lumerical을 함께 사용하면 설계자는 나노 스케일과 매크로 스케일 수준에서 엔드투엔드 설계를 완벽하게 시뮬레이션할 수 있습니다. 회절 격자는 증강 현실(AR) 도파관 안팎으로 빛을 결합하는 데 자주 사용되는 나노 스케일 구조의 일종입니다.
이전 블로그에서 설명한 것처럼 회절 격자는 들어오는 평면파를 격자 오더라고 하는 나가는 평면파로 산란시키는 주기적인 광학 구조입니다. 회절 격자는 나노 규모이기 때문에 광학 팀은 일반적으로 독립형 광자 디바이스 또는 더 큰 광학 시스템 설계 내의 광자 요소를 설계할 때 광선 거동을 시뮬레이션하기 위해 Lumerical을 사용합니다.
회절은 고르지 않은 표면에서 광선의 산란을 일으키는 복잡한 물리학입니다. 이러한 광선을 정확하게 설명하려면 결과 이미지를 평가하는 데 필요한 정밀도 수준인 회절 효율 데이터가 필요합니다. 나노 크기의 주기 구조를 모델링해야 하는 광학 설계자는 종종 엄격한 결합파 분석(RCWA)이라는 방법을 사용합니다.
RCWA가 무엇인지 살펴본 다음 이 문제를 해결할 수 있는 Ansys Zemax 기능을 소개합니다.
엄밀한 결합파 분석이란?
RCWA 방법은 주기 구조에서 맥스웰 방정식을 풀기 위한 반해석 기법입니다. RCWA 방법에서는 구조를 균일한 층으로 나누고 각 층의 모드를 푸리에 공간에서 계산합니다. 그런 다음 모드를 인접한 레이어의 모드로 확장하여 해당 레이어 간에 빛이 결합되는 방식을 결정합니다. 이 시점에서 그림 1과 같이 특정 주파수 방향과 편광을 가진 평면파 소스를 각 층의 모드로 확장하여 구조를 통해 전파할 수 있습니다.
그림 1. Rigorous coupled-wave analysis (RCWA).
이 방법으로 계산할 수 있는 몇 가지 결과는 다음과 같습니다:
RCWA 방법은 회절 격자 시뮬레이션에 일반적으로 사용됩니다. RCWA를 사용하면 격자의 특성과 들어오는 평면파를 감안하여 회절 격자에서 격자 차수의 방향, 진폭 및 위상을 얻을 수 있습니다.
그림 2. How RCWA applies to diffractive gratings.
RCWA 솔버: 대규모 레이 트레이싱 시스템을 위한 정확한 격자 시뮬레이션
그러나 회절 광학에 필요한 정밀도를 얻을 수 있는 상세한 분석을 수행하려면 맥스웰 방정식을 수행해야 합니다. 이를 위해 유니티는 격자 배열의 평면파의 상대 진폭과 위상을 계산하는 두 가지 종류의 RCWA 솔버, 즉 Lumerical의 2D RCWA 솔버와 OpticStudio의 1D RCWA 솔버를 만들었습니다.
이러한 RCWA 솔버는 다음과 같은 다양한 실제 애플리케이션에서 사용할 수 있습니다:
지금까지 모든 종류의 RCWA를 수행하는 것은 힘들고 수작업으로 이루어지는 경우가 많았습니다. 광학 및 광자 설계에 사용되는 시뮬레이션 도구가 아닌 외부 도구를 사용해야 했기 때문에 많은 인적 오류가 발생했습니다. 이 문제를 해결하기 위해 RCWA 솔버는 RCWA의 평면파를 OpticStudio에서 광선으로 변환합니다. 회절 격자를 표면처럼 취급하여 들어오는 평면파 또는 광선을 격자 순서에 따라 여러 개의 나가는 광선으로 산란시키면, RCWA 솔버를 사용하여 들어오는 광선의 방향에 따라 나가는 광선의 각도, 진폭 및 위상을 결정할 수 있습니다.
RCWA 솔버를 사용하면 회절 격자를 포함하는 광학 설계를 시뮬레이션할 때 다음과 같은 몇 가지 주요 이점을 얻을 수 있습니다:
자세한 내용은 Ansys 홈페이지 블로그에서 확인하시기 바랍니다.
https://www.ansys.com/ko-kr/blog/rcwa-supports-ongoing-optical-technology
제품 관련 문의는 Ansys 채널 파트너사 ㈜래디언트솔루션으로 연락주시기 바랍니다.
Ansys Optics Products Sales
담당자 (Direct) : 02-6096-5705
대표전화 : 02-2065-0726
E-mail: optical@radiantsolution.co.kr