严格耦合波分析（RCWA）求解器设置
RCWA设置 #
本节介绍 RCWA 求解器的各项参数设置。
严格耦合波分析（Rigorous Coupled‑Wave Analysis，RCWA）求解器是一种半解析仿真工具，用于分析平面波入射到具有面内周期性图案的多层结构时的光学响应，包括反射率、透射率、衍射效率及内部场分布。
RCWA 求解器特别适用于分析和设计具有周期性亚波长结构的器件，例如衍射光栅、超表面、光子晶体平板和波导光栅等。其基本原理是在傅里叶域中对每一层结构进行麦克斯韦方程组的解析求解，其中的傅里叶模式波矢即为 K 矢量，增加 K 矢量数量可以提高仿真精度。对于具有尖锐边界或高折射率对比度的结构，建议适当增加 K 矢量数量并进行收敛性测试。充分收敛后的 RCWA 结果与 FDTD 高度一致。对于周期性多层结构，RCWA 求解器可以作为 FDTD 的有效替代。
在 SimWorks 的光学仿真工具中，RCWA、FDTD 与 STACK 各有侧重，适用于不同的应用场景：
| 求解器/方法 | 算法原理 | 适用场景 | 特点与局限 |
|---|---|---|---|
| FDTD | 时域有限差分法，在时域中直接离散求解麦克斯韦方程组 | 任意复杂几何结构（非周期/周期均可） | 通用性强，灵活性高，一次仿真可获得宽频带结果；大周期结构且需高精度描述细节时，仿真负担重、时间长。 |
| RCWA | 半解析方法，在傅里叶域中对每一层结构解析求解麦克斯韦方程组 | 具有面内周期性图案的多层结构 | 速度远快于 FDTD，设置相对简单；精度与 K 矢量数量相关，收敛后与 FDTD 结果高度一致。 |
| STACK | 解析传递矩阵方法，直接求解多层薄膜的反射与透射 | 几何形状均匀（无面内图案）的多层膜结构 | 仿真速度最快，设置相对简单；仅适用于无面内图案的均匀层结构；解析方法无数值离散误差，精度最高。 |
实际使用中，需根据仿真结构的几何特征和物理需求选择最合适的方法：均匀多层膜结构优先选用 STACK；具有面内周期性图案的多层结构优先选用 RCWA；任意复杂、非大周期的结构则选用 FDTD。
RCWA求解器设置 #
在 Home 选项卡中选择 RCWA 按钮，在复合视图窗口点击任意位置即可创建 RCWA 求解器，然后在自动弹出的编辑属性窗口中修改 RCWA 求解器的设置，即可完成 RCWA 求解器的添加。
RCWA 求解器属性页面如下，后续将进行详细说明。
通用设置 #
General 标签页用来设置求解器的仿真空间，包含传播轴、传播方向、仿真区域的维度和几何尺寸。
传播轴与方向 #
| Name | Description |
|---|---|
| Propagation Axis | 设置电磁波沿哪个坐标轴传播，可选 x、y 或 z 轴。通常选择结构的法线方向作为传播轴。 |
| Propagation Direction | 设置波沿传播轴的正方向（Forward）、反方向（Backward）或同时（Both）传播。 |
| Simulation Region | 设置仿真区域的维度，可选二维（2D X normal、2D Y normal 和 2D Z normal）或三维（3D）。二维仿真区域不能以传播轴为法向，例如传播轴选择 Z 轴，将仿真区域设置为二维的情况下，不能选择 2D Z normal。 |
仿真区域几何尺寸 #
| Name | Description |
|---|---|
| X/Y/Z Pos | 设置求解器仿真区域的几何中心坐标。 |
| X/Y/Z Span | 设置求解器仿真区域在三维坐标方向上的范围（总长度）。 |
RCWA设置 #
此标签页包含 RCWA 算法特有的核心设置，用于控制晶格几何、材料模型与算法行为。
晶格矢量角度 #
| Name | Description |
|---|---|
| lattice vector angle | 设置晶格基矢量之间的夹角（单位为度），默认为 90°。对于非正交晶格，需指定两个基矢量之间的夹角，以精确描述晶胞的几何形状，设置范围为 1° ~ 179°。当设置的晶格基矢量夹角不为 90° 时，需要将网格细化方式（Mesh Refinement Method）设置为 Staircase 。 |
材料拟合设置 #
该选项用于控制材料色散模型的拟合方式，可勾选以下选项：
| Name | Description |
|---|---|
| Fit materials with multi‑coefficient model | 使用多系数模型对材料进行拟合，以提高材料色散特性的准确性。 |
| Fit sampled materials | 对采样材料数据（如从文件中导入的实验数据）进行拟合。 |
| Fit analytic materials | 对解析材料模型（如 Drude、Lorentz 等）进行拟合。 |
覆盖材料频率范围 #
勾选 override materials frequency range 后，用户可以手动指定材料属性计算所使用的频率/波长范围，而不使用材料默认的范围。
| Name | Description |
|---|---|
| Wavelength / Frequency | 切换单位制，可选波长（wavelength）或频率（frequency）。 |
| center / span | 设置范围的中心值和总跨度（范围宽度）。 |
| min / max | 直接设置范围的最小值和最大值。 |
界面 #
Interface 标签页用于定义结构中各层界面的位置，支持两种定位方式。
| Name | Description |
|---|---|
| interface absolute positions | 通过输入绝对坐标值直接指定每个界面的位置。 |
| interface reference positions | 基于几何对象的参考位置来定义界面位置，当几何对象位置发生变化时，界面位置会自动跟随更新。 |
层重复功能 #
RCWA 求解器支持层重复（layer repetition）功能，可用于高效仿真大型周期性结构。启用层重复功能后，求解器将重复一个已定义的几何实体，可以根据厚度（thickness）自动计算，也可以指定重复的倍数（multiple）。重复倍数可以为整数或非整数，对于非整数的情况，层会被适当地切分。此外，可以在重复区域周围定义非重复层，也可以根据仿真需要定义多个重复层。下图展示了重复倍数为 N+0.3 次的层重复示意图。
设置层重复步骤如下：
-
在 RCWA 求解器的 Interface 标签页，选择 interface reference positions。注意，层重复功能在 interface absolute positions 模式下不可用。
-
点击 Add 按钮添加对象。
-
选择层重复类型。
Name Description none 禁用层重复。 multiple 定义所选对象的重复倍数，支持整数和小数。 thickness 定义该层的总厚度。 -
输入起始界面和结束界面的编号，位于起始界面和结束界面之间的所有层都将被重复，方向从起始界面指向结束界面。
-
根据选择的重复类型输入重复参数（multiple 或 thickness），另一个参数会自动计算。如果厚度或倍数设置为 0，则该重复会被忽略。
-
检查设置，若有错误的输入会在相应单元格上以红色轮廓标记。
背景材料 #
在 Background Material 标签页中，提供 Background Material 的下拉菜单，以供用户选择背景材料。
| Name | Description |
|---|---|
| Background Material | 背景材料库，用户可选择 Optical Material 库中的材料，并将其设置为背景材料。 |
选择好背景材料以后，材料的相关信息（Name、Type、Last modified 等）会同时被展示出来。
网格 #
Mesh 标签页提供了求解器的网格与 K 空间离散化设置。RCWA 求解器支持 Auto（自动）和 Custom（自定义）两种网格类型：Auto 适用于大多数常规仿真，Custom 允许手动调整网格参数以获得更高精度。这两种网格类型在划分方式上与均匀网格类似，详细说明可参阅均匀网格。
网格类型 #
| Name | Description |
|---|---|
| Mesh Type | 可选 Auto（自动）或 Custom（自定义）。Auto 适用于大多数常规仿真；Custom 允许用户手动调整网格参数，以获得更高的仿真精度。 |
K 空间离散化 #
| Name | Description |
|---|---|
| K Vectors Domain | 在 K 空间中选取傅里叶谐波的范围形状，可选 Circular（圆形）或 Rectangular（矩形），影响仿真精度与计算量。 |
| Max Number K Vectors | 选择 Circular 时启用，K 矢量的最大数量，数量越多精度越高，但计算时间也相应增加。 |
| Max Number ku / kv | 选择 Rectangular 时启用，在 K 空间 u 方向和 v 方向上的最大 K 矢量数量，分别控制两个方向的傅里叶分量精度。 |
| Use LI Factorization | 仅当 Simulation Region 设置为 2D 时可用，勾选后有助于加快仿真收敛速度，对于高折射率对比结构（例如金属-介质）的效果更为明显。 |
网格细化 #
当设置的晶格基矢量夹角不为 90° 时，需要将网格细化方式（Mesh Refinement Method）设置为 Staircase 。关于 Mesh refinement 的详细设置可参阅网格细化。
激励 #
Excitation 标签页用于设置入射波的角度和频率参数。
入射角 #
| Name | Description |
|---|---|
| Incident Angle | 入射角的配置方式，可选 Single（单角度）、Table（表格）或 Range（范围扫描）。 |
选择 Single（单角度）模式：
| Name | Description |
|---|---|
| Angle Theta (degrees) | 入射光的极角 θ（单位为度），即入射方向与结构法线方向的夹角。 |
| Angle Phi (degrees) | 入射光的方位角 ϕ（单位为度），即入射方向在平面内的旋转角度。 |
选择 Table（表格）模式：
可通过表格添加多个角度组合，每行可分别设置 Theta (degrees) 和 Phi (degrees)，仿真将依次对所有角度组合进行计算。
选择 Range（范围扫描）模式：
| Name | Description |
|---|---|
| Theta Spacing | θ 的采样间隔方式，可选 Linear（线性）或 Cosine（余弦）。 |
| Minimum Theta / Maximum Theta (degrees) | θ 的最小值和最大值。 |
| Minimum Phi / Maximum Phi (degrees) | ϕ 的最小值和最大值。 |
| Theta Points / Phi Points | θ 和 ϕ 方向的采样点数。 |
频率设置 #
该选项用于配置仿真中使用的频率/波长采样点。
| Name | Description |
|---|---|
| Edit Complicated / Simplified Settings | 点击展开或收起更多频率相关的详细设置选项（如切换频率或波长单位等）。 |
| Central Wavelength (μm) | 波长范围的中心波长，单位为微米。 |
| Central Frequency (THz) | 频率范围的中心频率，单位为太赫兹。 |
| Wavelength Span (μm) | 波长的总覆盖范围，单位为微米。 |
| Frequency Span (THz) | 频率的总覆盖范围，单位为太赫兹。 |
| Minimum Wavelength / Maximum Wavelength (μm) | 直接指定波长范围的最小值和最大值。 |
| Minimum Frequency / Maximum Frequency (THz) | 直接指定频率范围的最小值和最大值。 |
采样方式/点数 #
| Name | Description |
|---|---|
| Wavelength Spacing (μm) | 波长间隔，只读参数，单位为微米。 |
| Frequency Spacing (THz) | 频率间隔，只读参数，单位为太赫兹。 |
| Use Wavelength Spacing | 默认情况下，数据点按频率间隔记录。勾选此选项后，数据点将改为按波长间隔记录。 |
| Wavelength Points | 在指定波长范围内的采样点数量，点数越多频率分辨率越高。 |
结果 #
Results 标签页用于控制仿真完成后输出的数据类型，用户可按需勾选以下选项：
| Name | Description |
|---|---|
| Report Index | 输出折射率分布信息。 |
| Report Grating Orders | 输出各衍射级次（grating orders）的信息，包括级次编号及其对应的 K 矢量。 |
| Report Grating Power | 输出各衍射级次的功率分布（即各阶衍射效率）。 |
| Report Grating Characterization | 输出光栅特性的综合表征数据（如偏振转换效率等）。 |
| Report Field Amplitudes | 输出电磁场的振幅分布，可用于进一步的后处理分析。 |