Schnelle vektorielle wellenoptische Simulation der Lichtausbreitung durch Mikrooptiken

Techniken wie die 2-Photonen-Lithographie ermöglichen den hochflexiblen 3D-Druck von Mikrooptiken wie z.B. Linsen und Gittern. Für ein adäquates Design solcher Mikrooptiken im Größenbereich von ca. 100-500 µm pro Raumrichtung sind Simulationsmethoden erforderlich, die einen angemessenen Kompromiss aus Genauigkeit und kurzer Simulationslaufzeit bieten. Insbesondere die Einbeziehung der Polarisation ist dabei herausfordernd, da stark vereinfachende skalare Methoden diesen Effekt nicht berücksichtigen und rigorose Methoden auf die genannten großen Volumina nicht anwendbar sind. In diesem Beitrag wird ein auf der laufzeitintensiven Vector-Wave-Propagation-Method (VWPM) basierender, beschleunigter Simulationsalgorithmus vorgestellt, welcher Polarisationseffekte berücksichtigen kann. Mithilfe des beschleunigten Algorithmus wird die 3D-Simulation einer Mikrolinse innerhalb eines Volumens von 305 µm × 305 µm × 285 µm mit nur ca. 1 h Laufzeit demonstriert, gegenüber schätzungsweise 165 Jahren bei der ursprünglichen VWPM. Darüber hinaus wird bei der Simulation von Gittern, deren Gitterkonstanten im Bereich weniger Wellenlängen liegen, eine sehr gute Übereinstimmung zur RCWA-Methode gezeigt.