Skip to article frontmatterSkip to article content
Site not loading correctly?

This may be due to an incorrect BASE_URL configuration. See the MyST Documentation for reference.

دفترچهٔ فصل ۵: سنتز و بررسی منحرف‌کنندهٔ باریکه

شناسه: ms-05-beam-steering. رمپ فاز ایده‌آل، کتابخانهٔ گسستهٔ انتخاب‌شده، پیش‌بینی پله‌ای موضعی و ابرسلول تمام‌موج TE را وصل می‌کنیم. قرارداد فصل‌های ۳ و ۴: e−iωte^{-i\omega t}، eik⋅re^{i\mathbf k\cdot\mathbf r}، تابش از z<0z<0 و ناوردایی ریج در yy. خروجی توالی شش‌ریجی بی‌نهایت تکرارشونده است، نه قطعهٔ متناهی یا ستون استوانه‌ای. همهٔ ریج‌های توالی ارتفاع یکسان و ماده ضریب حقیقی ثابت دارد.

آفست کلی فقط از خطای فاز سلول و پیش از حل ابرسلول انتخاب می‌شود. نتیجهٔ تمام‌موج بررسی است، نه هدف بهینه‌سازی. مرورگر فقط این دادهٔ ذخیره‌شده را نمایش می‌دهد و RCWA اجرا نمی‌کند.

Python 3.12.1 NumPy 2.4.6 SciPy 1.18.1 Matplotlib 3.11.1
Supercell period 3.9000000000000004 um; desired transmitted order +1 at 15.36441349084721 degrees.

۱. گسترش پوشش فاز با ارتفاع مشترک

پنج ارتفاع ازپیش‌تعریف‌شده را در دامنهٔ عرض فصل ۳ غربال کنید. منحنی درشت M=16M=16 اکتشافی است؛ کتابخانهٔ منتخب ۱٫۸ میکرومتری در ۱۶۱ عرض و M=24,32M=24,32 دوباره محاسبه و بررسی می‌شود. هر طرح ارتفاع ثابت دارد؛ ترکیب ارتفاع با صفحات مستقل بدون مقایسهٔ فیزیکی مشترک جزو مدل نیست.

Loading...
Extended library: 161 accepted rows; worst complex refinement 2.1344101538935203e-05
<Figure size 1250x475 with 2 Axes>

۲. کوانتش رمپ و انتخاب هندسهٔ واقعی

هدف ϕj=2π(j+1/2)/N+ϕ0\phi_j=2\pi(j+1/2)/N+\phi_0 در قرارداد فوریهٔ ما m=+1m=+1 می‌دهد. برای هر آفست، نزدیک‌ترین فاز دایروی ردیف پذیرفته با T≥0.8T\geq0.8 انتخاب شود. میانگین مربع خطای فاز شش موقعیت روی شبکهٔ ثابت ۳۶۱ آفست کمینه می‌شود. آفست هندسهٔ انتخابی را عوض می‌کند؛ در رمپ ایده‌آل جهت باریکه را تغییر نمی‌دهد.

Loading...
Loading...

۳. ماسک موضعی در برابر ابرسلول تمام‌موج

مدل موضعی در هر بازهٔ گام، ضریب میدان مختلط ثابت فرض می‌کند. ضریب دقیق با عرض نمونه Cm=sinc⁡(m/N)N−1∑jtje−2πim(j+1/2)/NC_m=\operatorname{sinc}(m/N)N^{-1}\sum_j t_j e^{-2\pi i m(j+1/2)/N} است. مقدار Re(qt,m)∣Cm∣2/qi,0\mathrm{Re}(q_{t,m})|C_m|^2/q_{i,0} تخمین توان ماسک موضعی است و الزاماً محافظه‌کار نیست، چون همسایه و مرز جمعی حل نشده‌اند. ابرسلول RCWA میدان ماکسول هندسهٔ کامل با همهٔ مرتبه‌های باز دو طرف را تطبیق می‌دهد.

Loading...
Loading...
<Figure size 1375x500 with 2 Axes>

۴. پالایش پهنای باند فوریه

با رشد ابرسلول و MM صحیح ثابت، بیشینهٔ بردار عرضی فیزیکی نمایش‌داده‌شده کاهش می‌یابد. اینجا هندسهٔ شش‌سلولی ثابت و MM پالایش می‌شود. مقایسهٔ نهایی ۱۴۴/۱۹۲ از قبل برای هر توان باز و ضریب مختلط عبور هر چهار حالت اعمال شده است. بقا و همگرایی جدا گزارش می‌شوند.

Loading...

۵. بازسازی میدان منحرف‌شده

نمودار دو ابرسلول تکراری را با حل کامل M=144M=144 و تداخل و میدان نزدیک نشان می‌دهد. توان مدی جدا، کسر دورمیدان را تعیین می‌کند. تصویر، لبهٔ دهانه یا باریکهٔ فرودی متناهی ندارد.

<Figure size 1125x650 with 2 Axes>

۶. صدور سابقهٔ بازتولیدپذیر سنتز

JSON کتابخانهٔ تازه، آفست، توالی هندسه، توان مرتبهٔ تمام‌موج و موضعی، همگرایی، هش منبع و حدود اعتبار را نگه می‌دارد. کنترل جدا، تعبیهٔ یکسان، آینه، مرتبهٔ ریز و رستر grcwa را می‌افزاید. عملکرد به همین هندسهٔ TE بی‌اتلاف تناوبی بی‌نهایت تعلق دارد؛ پهن‌باند، ساخت، قطعهٔ متناهی یا FEM/FDTD مستقل نیست.

Saved beam-steering.json and extended-library.csv
Expanded target-order power: 0.8553565666096787 conditional transmitted fraction: 0.9385157769011392

تفسیر و تمرین

چرا مرتبهٔ مثبت مجاز برای ریج یکسان دامنهٔ صفر دارد؟ چرا معکوس‌سازی مرتبهٔ غالب را برمی‌گرداند؟ توان نسبت به ورودی و مشروط به عبور را مقایسه کنید. اختلاف حساب ماسک و ماکسول کجاست؟ مرتبهٔ هدف یا دوره را تغییر و شمارش و همگرایی را تکرار کنید. هندسهٔ جدید را با حل تازه بررسی کنید، نه پیش‌بینی ازپیش‌معتبر فرض کنید.

منابع: Yu و همکاران، مبنای RCWA و grcwa.

References
  1. Yu, N., Genevet, P., Kats, M. A., Aieta, F., Tetienne, J.-P., Capasso, F., & Gaburro, Z. (2011). Light Propagation with Phase Discontinuities: Generalized Laws of Reflection and Refraction. Science, 334(6054), 333–337. 10.1126/science.1210713
  2. Moharam, M. G., & Gaylord, T. K. (1981). Rigorous coupled-wave analysis of planar-grating diffraction. Journal of the Optical Society of America, 71(7), 811–818. 10.1364/JOSA.71.000811