宽带导模共振反射器的RSoft-RCWA仿真

Xing G. et al. | Optics Express 2021, 29(17), 26444 | RSoft DiffractMOD (RCWA)

一、研究背景与仿真目标

导模共振（GMR）反射器用少量层即可实现近100%反射率，是金属镜和传统介质堆叠镜的轻量化替代方案。论文针对TE偏振下已有结构带宽偏窄（仅125~380nm）的问题，提出一种低折射率SiO₂三角/梯形槽光栅覆高折射率Si薄膜的新结构，目标是在TE偏振下实现宽带高反射。研究团队使用**RSoft软件**完成全部电磁仿真，本文重点复现其RSoft仿真建模与参数扫描流程。

图1 宽带GMR反射器结构示意——低折射率SiO₂(1.48)三角/梯形槽光栅覆高折射率Si(3.48)薄膜

二、RSoft仿真建模与算法

论文采用RSoft套件中的**DiffractMOD**模块进行仿真，求解器基于严格耦合波分析（RCWA）算法——这是处理周期性亚波长光栅电磁散射的严格方法，不依赖任何近似。结构参数：周期Λ=0.75µm、Si覆盖层厚度dL=400nm、高折射率Si(n=3.48)保形覆盖低折射率SiO₂(ns=1.48)光栅层；三角槽满足dg=Λ·tan(α/2)，栅层厚度dg减小时三角槽演变为梯形槽，底角α/β对称。DiffractMOD可输出任意偏振下的衍射效率、反射率、透射率及内部电场分布。设计阶段先用等效介质理论（EMT）计算各层等效折射率，确定TE反射器为"倒置双光栅"结构（顶部三角槽等效折射率n→nc渐变，底部ns→n反向渐变），再代入RSoft做严格RCWA验证。

图2 等效介质理论计算各层等效折射率——TE与TM偏振反射器结构差异对比

三、RSoft仿真结果：谐振模演化与宽带形成

**传输等值线图扫描**：RSoft批量计算T0(λ,dg)对数尺度等高图，覆盖底角20°~75°八组工况。图中发现三个垂直分布谐振模（约1.2/1.6/2.4µm），位置几乎不随栅深变化；底角增大时新模出现、两端模向中间弯曲移位，三模适当距离时相互作用形成宽带高反射谱。在最大栅层厚度（三角槽）时，α=45°处产生R>99%的1430~1882nm宽带。**优化光谱**：固定dL=400nm，α=46°、dg=326nm时R>99%带宽达**458nm**（1422~1880nm），观测到三个透射谷对应三个GMR（λ=1435/1663/1857nm）；α=72°、dg=475nm时三模强相互作用产生R>99.9%超宽带（308nm）。**电场分布**：RSoft输出谐振波长处内部电场振幅，短波模分布于高低折射率层、随底角增大被推向覆盖层，长波模仅分布于覆盖层——直观揭示TE₁等高阶模的场局域机理。

图3 RSoft DiffractMOD传输等值线图T0(λ,dg)——八组底角下的谐振模演化与宽带形成机理

图4 优化反射/透射谱（线性+对数）——α=46°/60°/72°下R>99%带宽达458nm

图5 谐振波长处内部电场振幅分布——RSoft输出TE₁等高阶模场局域特征

四、参数容差仿真与工程价值

RSoft参数敏感性扫描给出明确工艺窗口：**栅深容差**——反射等高图R0(λ,dg)显示dg=316~388nm范围内均保持R>99%，Δdg=62nm宽带从458nm渐窄至321nm，工艺容忍度优异；**底角容差**——R0(λ,α)等高图证实44°~72°广底角范围维持R>98.4%、Δλ>450nm宽带，且非对称（α≠β）时R>98%带宽达483nm，有效抵消光刻底角误差；**覆盖层厚度**敏感性最高（dL变化10nm带宽变化约156~182nm），是后续工艺控制重点。结论：该结构在TE偏振下宽带高反射性能优于此前报道的简单双段周期反射器，且对栅深、底角具有宽容差，RSoft仿真为宽带反射器设计提供了可复用的参数化流程。

图6 栅深容差分析——RSoft参数扫描显示Δdg=62nm内保持R>99%宽带

图7 底角容差分析——44°~72°广底角范围维持R>98.4%宽带高反射

五、我们提供的服务

① 衍射光栅/亚波长结构电磁仿真——RSoft DiffractMOD（RCWA）、OmniSim、FDTD Solutions全流程建模 ② 导模共振滤波器/反射器/偏振器设计与带宽优化——参数扫描、容差分析、灵敏度评估 ③ 等效介质理论（EMT）等效折射率计算与结构等效设计 ④ 周期性结构电场分布可视化与模场分析——谐振模识别、场局域机理解读 ⑤ 光学仿真技术培训与项目协作——从建模、求解器选择到后处理一键贯通 欢迎通过公众号"320科技工作室"联系我们，获取RSoft仿真工程案例与技术方案。

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