ANSYS LUMERICAL / FDTD
Lumerical RCWA：周期構造の回折効率を高速に求める
厳密結合波解析により、周期的な微細構造の回折効率を波長・角度・偏光ごとに求めます。周期性を前提にできるぶん、同じ問題を FDTD で解くより桁違いに高速です。
概要
周期性を前提にした厳密解法
構造の周期性を利用して電磁界をフーリエ級数に展開し、層ごとの結合波方程式を解きます。時間発展を追わないため、単一の波長・角度に対する解が短時間で得られます。
メタサーフェスの設計では、メタアトムの寸法を振って位相と透過率の対応関係を求める作業が必要になります。この掃引を現実的な時間で回せるかどうかが、設計の進み方を決めます。
周期境界を前提とするため、有限サイズの効果や局所的な欠陥は扱えません。全体構造の検証には別の手法との併用が必要です。
周期構造と単位セルの定義
模式図：入射波 → 周期構造（単位セル） → 回折次数
RCWA の利点
周期性を前提にできることの効果
01
高速
数百から数千条件の掃引を現実的な時間で実行できます。
02
角度・偏光
入射角と偏光ごとの応答を直接求められます。
03
ライブラリ生成
メタアトムライブラリの作成は RCWA の代表的な使い方です。
寸法掃引から得られる位相と透過率の対応関係
使いどころ
向く場合と、向かない場合
他の手法のほうが速く正確に解ける場面もあります。以下は選択の目安です。
RCWA を使う
- 構造が周期的、または周期近似が妥当
- 回折効率を次数ごとに知りたい
- 多数の寸法条件を掃引する必要がある
- メタアトムライブラリを生成したい
- 多層の周期構造を扱う
別の手法を検討する
- 有限サイズの構造や欠陥を含む → FDTD
- 周期のない任意形状 → FDTD
- 平坦な多層膜だけ → STACK
- 導波路のモード → MODE
同一構造に対する FDTD と RCWA の比較。周期近似が成り立つ範囲では両者は一致します。
代表的な用途
どの分野で使われているか
メタレンズ・メタサーフェス
メタアトムの位相・透過率ライブラリの生成
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AR/VR 導光板
回折格子の効率の角度・波長依存性
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半導体計測・回折格子
オーバーレイ計測ターゲットの回折信号と格子形状の評価
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フォトニック結晶
周期スラブの反射・透過スペクトルの評価
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入力と出力
何を与えると、何が得られるか
設定した入射条件と構造に対して、次数ごとの応答が返ります。
INPUT
何を用意すればよいか
| 単位構造 | 周期セル内の形状と材料 |
| 周期 | x・y 方向のピッチ |
| 入射条件 | 波長、入射角、方位角、偏光 |
| 展開次数 | フーリエ次数。収束確認が必要です |
RCWA
厳密結合波解析
OUTPUT
何が得られるか
| 回折効率 | 次数ごとの透過率・反射率 |
| 位相 | 次数ごとの複素振幅と位相 |
| スペクトル | 波長掃引に対する応答 |
| ライブラリ | 寸法に対する位相・透過率の対応表 |
よくあるご質問
RCWA についてよくいただく質問
導入前によくいただく質問をまとめました。
FDTD とどちらを使うべきですか。
構造が周期的で回折効率が知りたいなら RCWA です。有限サイズの構造や、周期性のない任意形状であれば FDTD を使います。メタサーフェス設計では、RCWA でライブラリを作り、FDTD で局所的に検証するという併用が一般的です。
展開次数はどう決めますか。
次数を上げながら結果が変化しなくなる点を確認します。屈折率コントラストが高い構造ほど多くの次数が必要になります。
メタアトムライブラリはどう作りますか。
材料・波長・ピッチ・高さを固定し、半径などの寸法パラメータを掃引して位相と透過率を記録します。Photonica では、この工程を接続した RCWA ワークフローとして扱えます。
斜入射も扱えますか。
扱えます。入射角と方位角を指定して、角度依存性を評価できます。
日本語サポートとトレーニング
解析設定から結果の妥当性の判断まで、ご相談いただけます。実際に操作するハンズオン形式のトレーニングもご用意しています。
サポート →
トレーニング →
ご相談前にお知らせいただけると助かること
- 対象波長と材料
- デバイス構造とおおよその寸法
- 評価したい特性と目標値
- 既存の解析データや測定結果の有無
- 想定しているスケジュール
お伝えいただけない情報があっても構いません。差し支えのない範囲で結構です。
解きたい構造で、実際に動かしてみてください
デモではお客様の対象に近い構造を題材にします。計算規模と所要時間の目安もその場でお伝えできます。