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    JCMsuite納米光學(xué)仿真軟件

    JCMsuite納米光學(xué)仿真軟件
    時(shí)間:2022-10-26 17:32來(lái)源:訊技光電作者: 技術(shù)部點(diǎn)擊:次打印
    軟件概述
     
    JCMsuite是計算復雜納米光學(xué)系統中電磁場(chǎng)的有限元求解器。其連續力學(xué)和熱傳導模塊能夠實(shí)現復雜材料的建模,如應力誘導的雙折射。利用所包含的光學(xué)成像和光源工具能夠完成全波長(cháng)光學(xué)系統仿真的工作流程,如顯微鏡、散射儀或單光子光源(包括芯片光纖耦合和非相干效應)。
     
     
    軟件特色
    JCMsuite是基于計算機科學(xué)的高級數學(xué)方法和技術(shù)。它利用了有限元方法(FEM)的強大功能和靈活性來(lái)快速和準確地獲得結果,并使用最新的機器學(xué)習技術(shù)來(lái)優(yōu)化復雜的光學(xué)器件。
    CAD 和網(wǎng)格工具
    JCMsuite幾何和網(wǎng)格工具是專(zhuān)門(mén)為光子應用而設計的
    形狀和幾何圖形:可以使用線(xiàn)性或彎曲單元創(chuàng )建各種CAD幾何圖形,如2D和3D圖元、擠壓體、圓角形狀和自由形狀
    對稱(chēng)性:通過(guò)定義周期或鏡像對稱(chēng)網(wǎng)格,或者通過(guò)在圓柱和扭曲坐標系中工作,可以大大減少計算時(shí)間
    無(wú)限結構:支持多層結構、層狀外部域和波導結構
    自適應網(wǎng)格:自動(dòng)網(wǎng)格細化,邊角和法線(xiàn)細化可實(shí)現高度精確的計算
    Hp-FEM解算器
    有限元方法(FEM)提供了一種常規、嚴格、通用且非?焖俚姆椒▉(lái)解決科學(xué)和技術(shù)挑戰
    求解問(wèn)題類(lèi)別:JCMsuite解決了時(shí)間諧波麥克斯韋方程組的光散射問(wèn)題、波導設計問(wèn)題、光學(xué)共振問(wèn)題以及線(xiàn)性彈性問(wèn)題、熱傳導問(wèn)題,以及這些類(lèi)型的任何耦合問(wèn)題類(lèi)別
    自動(dòng)數值設置:根據基于殘差的誤差估計,自動(dòng)選擇各種數值設置,如有限元度、PML設置(完美匹配層)
    材料和光源:可以定義各種材料的性質(zhì),如復合和各向異性材料的介電常數和磁導率張量、色散性質(zhì)、熱導率和剛度。例如,可以通過(guò)平面波,周期性或孤立的偶極子,光束和波導模式來(lái)激發(fā)結構
    后處理:特別關(guān)注光學(xué)中所有必要后處理的支持和高效計算,如傅里葉變換、遠場(chǎng)、能量通量、重疊積分、光學(xué)成像、共振擴展和Purcell因子
    分析和優(yōu)化工具包
    機器學(xué)習技術(shù)能夠有效地分析和優(yōu)化光學(xué)器件的性能
    優(yōu)化:貝葉斯優(yōu)化是一種高效的優(yōu)化方法,能夠在更短的計算時(shí)間內開(kāi)發(fā)高性能器件。其他支持的優(yōu)化方法包括下行單純形優(yōu)化、粒子群優(yōu)化、差分進(jìn)化和L-BFGS-B方法
    不確定度量化:光學(xué)系統的參數往往存在不確定性和波動(dòng)。該工具包包括幾個(gè)有效的方法來(lái)確定參數敏感性(Sobol系數)以及波動(dòng)下的平均性能和方差
    參數重構:從實(shí)測數據重構材料屬性、形狀參數等系統參數是一項復雜的數值任務(wù)。JCMsuit包括了各種有效工具,可以對參數值及其測量不確定性進(jìn)行時(shí)間高效和精確重構
    預測:經(jīng)過(guò)一個(gè)學(xué)習階段,可以預測未知參數下光學(xué)器件的性能
     
    軟件安裝及運行環(huán)境
    操作系統:Windows系統,要求64位版本;Linux系統
    CPU:至少具有2.4 GHz的四核處理器,建議至少具有3 GHz八核
    RAM:8 GB,建議至少32 GB
    硬盤(pán)空間:50 GB,建議使用250 GB SSD驅動(dòng)器圖形適配器
    接口:USB 端口,DVD–ROM 光驅

    軟件應用領(lǐng)域
    現代納米光學(xué)系統的復雜性使得大量的仿真非常必要。 JCMsuite提供的超嚴格的仿真可以讓設計者深刻理解相關(guān)現象,了解更多不同領(lǐng)域帶來(lái)的挑戰。

    計算光刻


     
    JCMsuite提供了完整的光學(xué)仿真鏈:對復雜照明的描述,通過(guò)光學(xué)成像系統和光掩模傳播的光場(chǎng)的計算,直至在光刻膠中形成圖像。
     
    計算計量學(xué)


     
    周期大于照明波長(cháng)一半的結構的光學(xué)計量已成為標準計量技術(shù)。 但是,快速?lài)栏竦姆抡婕夹g(shù)以及設計好的測量裝備允許在深亞波長(cháng)范圍內使用光學(xué)計量方法

    波導和光纖


     
    JCMsuite為所有類(lèi)型的波導(包括單模和多模光纖,光子晶體光纖,微結構光纖,集成光波導,等離子體波導)計算波導模式和相應的傳輸常數。 圓柱坐標系和扭曲坐標系中的模式計算允許嚴格計算波導彎曲的影響。

    光伏


     
    JCMsuite支持各個(gè)方面提高光電效率:分析層結構和材料成分的效率、隨機和微結構層、背反射器和表面的影響、規則或隨機分布的等離子體粒子的等離子體效應以及包括頻率轉換在內的非線(xiàn)性效應。

    光源


     
    諸如激光二極管,VCSEL,LED,OLED和單光子光源之類(lèi)的光源是光學(xué)設備的基本組成部分。 JCMsuite可以對其光學(xué)特性進(jìn)行有效的仿真和優(yōu)化,包括遠場(chǎng)分布,光纖耦合效率和熱透鏡效應。

    納米結構材料


     
    JCMsuite允許設計和分析新型納米結構材料的光學(xué)特性。 例如等離子體材料,手性材料,光子晶體和準晶體,超材料,粗糙界面,納米復合材料等。

    應用舉例
    微結構光源光學(xué)特性的仿真和優(yōu)化
    微納光學(xué)的光源通常分為兩大類(lèi):垂直發(fā)射器和水平發(fā)射器
     

     
    上圖所示垂直發(fā)射器(黑色盒子)安裝在基片上或基片內,通常情況下是多層堆棧。光線(xiàn)在活躍區域(黑色盒子)產(chǎn)生,并且被激發(fā)到上半部分空間。除了由阻尼材料引起的內部損失,光能也由于輻射到基片或水平方向的光在基片層中被捕獲而損失。建立垂直光光源有以下兩種方法:
    計算激光諧振腔的共振模式,可詳見(jiàn)案例VCSEL。
    直接將光源(電流密度)放置在活躍層中,可詳見(jiàn)案例量子點(diǎn)發(fā)射器
    在這兩種情況下,激發(fā)光束的質(zhì)量可以通過(guò)遠場(chǎng)或傅里葉變換后處理進(jìn)行分析。
     

     
    邊緣(水平發(fā)射器):在這種情況下,激光諧振腔由一個(gè)相對較長(cháng)的波導組成。光束在波導的端面水平被激發(fā)。為了設計一個(gè)邊緣發(fā)射器,計算了激光諧振腔的波導模式,可詳見(jiàn)案例大功率二極管激光器
    光伏發(fā)電的衍射效率分析及結構優(yōu)化
    薄膜硅太陽(yáng)能電池依靠散射結構將入射光衍射到更大的角度,從而在高折射率吸收材料中通過(guò)全內反射捕獲光。它們的優(yōu)化是當前研究的一個(gè)課題。一般來(lái)說(shuō),即使散射結構在本質(zhì)上是統計性質(zhì)的,也可以在JCMsuite軟件中通過(guò)應用周期邊界條件對單元進(jìn)行建模,也可以對簡(jiǎn)單、隨機紋理薄膜太陽(yáng)能電池進(jìn)行幾何定義和網(wǎng)格劃分,進(jìn)而對不同層材料的衍射、吸收效率進(jìn)行分析。
     
     
    左:幾何和圖層命名 中間:適應短波長(cháng)的網(wǎng)格 右圖:適應長(cháng)波長(cháng)的網(wǎng)格
     
    微納光子器件的光學(xué)特性分析以及器件結構優(yōu)化
    衍射光學(xué)元件(DOE)通過(guò)波長(cháng)維度上的圖案來(lái)操縱光通過(guò)它傳播的相位和振幅。典型的非對稱(chēng)光柵有周期圖案(光柵)、菲涅耳透鏡、孤立目標圖案、二元光柵、光闌等。
    下圖概述了模擬光從DOE散射的典型裝置:
     
    原理圖:DOE仿真設置
     
    通常,DOE駐留在介質(zhì)襯底上。照明光場(chǎng)(如平面波)從下方或上方照射到DOE。這激發(fā)了透射場(chǎng)和反射場(chǎng),這是我們感興趣的典型參量。
    JCMsuite計算近場(chǎng)電磁場(chǎng),并使用它通過(guò)傅里葉變換或遠場(chǎng)評估后處理的方式來(lái)推導遠場(chǎng)(透射和反射)。
    對于周期結構,傅里葉變換后處理產(chǎn)生離散衍射模。對于孤立問(wèn)題,傅里葉變換由連續分布的散射場(chǎng)和由平面波照明產(chǎn)生的最終離散模式組成。
    結合傅里葉變換,您可以使用光學(xué)成像后處理來(lái)形成由成像工具(如顯微鏡)產(chǎn)生的圖像。
     
     
    非周期結構的近場(chǎng)分布
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