RSoft 平滑斜面与电镜建模

Keysight RSoft 2026 CAD / DiffractMOD / FullWAVE · 针对当前 24 层楼梯闪耀耦入 · 2026-09-13

1. 精度为什么不满意：两层误差

当前 blazed_incoupler.ind 不是「平滑斜面被求解器切坏了」，而是 CAD 里就已经是楼梯：blaze_layers() 把直角齿切成 24 层等厚矩形，胶水左对齐、银右对齐。层厚 H/24 = 7.08 nm，银–胶界面是一串台阶，不是平面。

2. 关键事实：CAD 平滑 ≠ RCWA 不切片

DiffractMOD 是 RCWA：沿主方向（本模型 +z）把单胞切成均匀折射率层，层间用传输线连接。手册 3.B.4：

• 未锥化的矩形段：求解器能精确找到界面，不必靠很细的 Index Resolution。
• 锥化、弯曲、多边形斜边：必须按 Index Resolution（.ind 里的 step_size）切片；层厚不超过该值。

所以正确目标不是「RCWA 里出现解析斜面」，而是：

1. CAD 用真斜面描述几何（一段锥形或一个多边形），不要预先画 24 个矩形。
2. 把切片精度交给 step_size / Index Res.，做收敛：例如 H/32、H/64、H/128，看 m=−1 的 DE 变化 < 1% 相对。
3. 谐波 Nx 同样做收敛（21 → 41 → 61），金属 TM 尤其需要。

FullWAVE 宣称有 sub-cell / conformal 网格，斜面比纯楼梯 FDTD 准；金属锐角仍建议用 RCWA 出 BSDF，FDTD 只做抽检。

3. 方案对比

近期主路径：A（设计 CAD）→ 几何改成规格截断后改 B → 电镜来了走 B 或 D。 C 只用来证明楼梯已经收敛，不当交付几何。

4. 推荐：锥形 segment（真直角闪耀）

RSoft 线段宽度沿路径线性变化。若轴线同时平移，可以得到一侧竖直、一侧倾斜的直角齿，而不是对称等腰三角。

约定：z=0 为玻璃/胶水，+z 向银；竖直壁在 −x，斜面朝 +x。

• 胶水起点：中心 x=0，宽 Λ，z=0 → 覆盖 [−Λ/2, Λ/2]
• 胶水终点：中心 x=−Λ/2，宽 0，z=H → 退到左上角点
• 银块与之互补，再加盖帽

from rstools import RSoftCircuit
P, H = 0.365, 0.170   # μm；规格件改成 0.378, 0.218 并做截断
c = RSoftCircuit()
# ... symbols / materials 同现脚本 ...

glue = c.add_segment(
    position=(0.0, 0.0, 0.0),
    offset=(-P/2.0, 0.0, H),
    dimensions=(P, 0.0),
    dimensions_end=(0.0, 0.0),
)
glue.material('ImprintGlue')

ag = c.add_segment(
    position=(P/2.0, 0.0, 0.0),
    offset=(-P/2.0, 0.0, H),
    dimensions=(0.0, 0.0),
    dimensions_end=(P, 0.0),
)
ag.material('Ag')

c.set_symbol('step_size', 'Height/64')   # Index Resolution，不是 CAD 楼梯层数
c.write(r'D:\\Mac\\Simulation\\rsoft_blazed_incoupler\\blazed_taper.ind')

5. 多边形：圆角、截断、电镜轮廓

手册 5.D：多边形是 XZ 平面顶点列，必须闭合（首末点相同）；3D 沿 Y 挤出。Python：

xs = [-P/2, -P/2,  P/2, -P/2]
zs = [ 0.0,    H,  0.0,  0.0]
poly = c.add_polygon(position=(0,0,0), x=xs, y=zs)  # y 数组实际是 Z
poly.material('ImprintGlue')
# 或 file='glue_tooth.dat'，两列 ASCII：X  Z，首末相同

电镜描边时在斜面两端加圆弧顶点（倒角半径 10–30 nm 量级很常见），比直角金属棱的 RCWA 更稳，也更接近压印。

多边形坐标可进 .dat 做 Dynamic Load，换一张 SEM 轮廓不必改 .ind 结构。

6. 电镜 / AFM 进 RSoft

官方就有「用 SEM 定义截面」的工具链，不必自造求解器。

6.1 截面 SEM → 多边形（推荐给闪耀齿）

1. 拍摄：截面 SEM，尽量垂直沟槽；同一视场至少 3–5 个周期；带标尺。
2. 校准：用标尺把像素换成 nm；校正倾斜（样品未切正会把 H 和 α 一起歪）。
3. 分割：阈值 / 分水岭分开玻璃、胶水、银、孔隙。不要用未校准的 JPEG 直接当折射率。
4. 轮廓：每个周期提取胶–银界面折线；多周期平均后再闭合成单胞多边形（减噪声、减单个缺陷）。
5. 写入 glue_tooth.dat / ag_fill.dat（两列 X Z，μm，闭合）。
6. CAD：add_polygon(..., file=...)，单胞边界仍是 ±Λ/2。
7. 镀银：若 SEM 上看不到厚银或只看到齿形，用设计厚度在轮廓外偏置；RSoft coatuf 可对高度 profile 加涂层，多边形则用「外轮廓偏移」生成第二套顶点。

6.2 SEM 位图 → User Profile（官方 bmp2ind）

手册原文：bmp2ind 把索引色 BMP 转成 RSoft 数据文件，可用 SEM 图像定义波导/光纤截面的用户折射率剖面。

• 只支持 1/4/8 bit 索引色，不支持 24-bit。先在图像软件里转成索引色。
• -w -h 设剖面宽高（μm）；-m=map.txt 把调色板索引映射到折射率，例如胶 1.74、银用材料名另走 segment。
• 灰度图更适合「一种材料的高度/占空」，不适合胶+银两相；两相仍优先多边形。

bmp2ind -w0.378 -h0.35 -m=materials.map sem_cell.bmp sem_cell.dat

6.3 AFM 高度 + coatuf（镀膜）

coatuf 专为「AFM 等得到的高度 profile 再加一层涂层」：生成第二份 user profile，在 CAD 里与未镀膜段同位叠放。银盖帽可以用这条，齿形仍用多边形或高度图。

coatuf -t0.2 -sx1 -sy1 -sf1 tooth_height.dat ag_coat.dat

6.4 电镜建模的坑

7. 求解器怎么选

交付仍走：平滑（或 SEM）CAD → DiffractMOD 收敛 → bsdfgen → LightTools。FullWAVE 只在设计点 TE/TM 对一下 m=−1，相差超过 ~2% 再查几何或谐波。

8. 验收与实施顺序

1. 不改 Λ/H，只把 24 层换成锥形段，step_size=Height/64，扫 Nx 与层厚。若 DE 几乎不动，说明楼梯已经够；若 TM m=−1 变几个点，就以锥形为准。
2. 把几何改到规格：Pin=378 nm，H=218 nm，α=65° 截断，胶水 n=1.74。这步对效率的影响通常大于楼梯。
3. 收敛表：Index Res. × 谐波的 DE(m=−1)，相对变化 < 1% 才出 BSDF。
4. 电镜到货：标尺校准 → 多周期平均轮廓 → *.dat 多边形 → 同一套 dfmod / bsdfgen；设计 CAD 与 SEM CAD 出两张 BSDF 做公差。
5. 不要用改周期去凑级次；k 闭合锁死 Pin。

本页是方案调研，尚未改生产 .ind。下一步若要落地，从锥形段替换 blaze_layers() 开始，并保留楼梯结果做差分。