Ansys Lumerical｜RCWA求解器原理、设置与应用场景详解

宇熠科技

2026年5月20日 09:29

概述

这篇文章介绍了：

如何使用 RCWA 求解器分析周期性多层结构（如光子晶体、衍射光栅）的光学响应；
RCWA 求解器的原理：在傅里叶域中划分均匀层，并通过 S 矩阵双向传播计算透射、反射及各个光栅阶的功率；
如何设置入射平面波的传播方向（X/Y/Z 轴）、角度（θ/ϕ）和偏振（s/p），以及反向传播的两种模式（镜像 k 矢量和反向 k 矢量）；
对比 RCWA 与 FDTD、STACK 求解器的适用场景，以及 RCWA 对各向异性、有损材料的支持与限制；

介绍

Lumerical 的严格耦合波分析（RCWA）求解器可用于分析平面波入射到多层结构时的光学响应。与 STACK 求解器不同，RCWA 求解器适用于具有层几何形状周期性变化的结构，例如光子晶体和衍射光栅。由于仿真时间通常远短于 FDTD，RCWA 求解器是分析这类周期性结构的理想工具。

RCWA 方法原理

RCWA 方法是一种用于求解多层结构中麦克斯韦方程的半解析技术。在该方法中，结构沿传播方向被划分为一系列均匀的层。对于沿传播方向截面逐渐变化的结构，可以通过一系列均匀层对其进行近似。例如，在下图所示的几何结构中，梯形形状（左图）被近似为五个层的序列（右图）：

增加截面层数可以提高仿真的精度，但代价是仿真时间的增加。

将结构划分为若干层后，在每一层的傅里叶域中，麦克斯韦方程组被解析求解。这些傅里叶模式的波矢量被称为 k 矢量。由于结构的周期性，仅允许存在离散的 k 矢量。增加 k 矢量的数量可以提高计算精度，但代价是仿真时间的增加。

随后，对每个区段的求解结果进行双向传播，以计算整个器件的 S 矩阵。一旦 S 矩阵计算完成，即可将入射平面波的光通过该结构进行传播。由于几何结构的周期性，入射平面波会被衍射成一组有限数量的平面波，这些平面波称为“光栅级次”。在 S 矩阵计算完成后，可以计算出诸如入射功率中被透射和反射的比例、每个光栅级次中的功率，以及结构内部的电场和磁场等结果。

RCWA 求解器工作流程

使用 RCWA 求解器的推荐工作流程如下：

1. 使用“设计”（Design）选项卡中“结构”（Structures）组内的几何对象（如矩形、圆形、多边形等）来创建结构几何形状：

2. 通过“设计”（Design）选项卡中“求解器”（Solver）组内的“RCWA”按钮，在仿真中添加一个 RCWA 求解器对象：

3. 编辑 RCWA 求解器对象的属性以指定仿真参数。

4. 为仿真设置 RCWA 资源配置。

5. 使用“RCWA”选项卡中的“检查”（Check）按钮来检查仿真及内存需求。该仿真与内存需求工具将提供仿真的关键属性及规模的概览信息。

6. 使用下拉菜单选择资源，通过 RCWA 选项卡中的“运行 RCWA”（Run RCWA）按钮来运行 RCWA 仿真：

7. 在结果视图（Result View）中获取 RCWA 求解器对象返回的结果：

这些结果可以通过右键单击并选择“Visualize > New Visualizer”直接在可视化工具（Visualizer）中进行可视化。也可以通过选择“Send to script”，将结果发送到脚本工作区（Script Workspace）以进行进一步分析：

光源正向传播

入射平面波的方向通过极角 θ 和 ϕ 来定义。θ 是垂直于 RCWA 各层平面的轴（称为传播轴）与入射波矢 ki 之间的夹角。ϕ 是绕传播轴的旋转角。θ 的取值范围为 0 至 90 度，ϕ 的取值范围为 0 至 360 度。

如果在图形用户界面中选择了单一的入射角，系统会显示一个图示标记，以直观展示传播方向。

RCWA、FDTD和STACK三种求解器的适用场景

RCWA、FDTD 和 STACK 求解器均可用于对多层结构进行光学仿真。对于给定的仿真任务，最合适的求解器取决于具体的几何结构细节以及光源特性。

一般来说，FDTD 可用于执行任何能用 RCWA 或 STACK 完成的仿真。然而，在大多数情况下，RCWA 和 STACK 的计算速度更快，除非需要非常宽频带的结果。此外，FDTD 是一种全数值方法，而 RCWA 是半解析方法，STACK 则是解析方法，因此 FDTD 的结果精度通常低于 RCWA 或 STACK。RCWA 和 STACK 仿真的设置也远比 FDTD 仿真简单，从而降低了仿真设置不当的可能性。

对于平面波光源入射到多层结构的仿真，若各层在横向上是均匀的，则可以使用 STACK 求解器。若各层在横向上非均匀但具有周期性，则可以使用 RCWA 求解器。若各层在横向上不具有周期性，则必须使用 FDTD 求解器。

对于诸如 OLED 等发光多层结构的仿真，若各层结构均匀，则可以使用 STACK 求解器。若各层结构不均匀（例如存在某种图形化结构），则必须使用 FDTD 求解器。目前无法使用 RCWA 求解器对发光结构进行仿真，因为该求解器尚未提供偶极子光源选项。