光器件
關注創建者：光芯片高頻實驗室 創建時間：2019-07-31
光器件的實例教程
軟件平臺中的波動光學模塊專注于分析微米和納米光器件，例如：光纖、光柵、光波導、光子晶體、集成光路、激光器、石墨烯、表面等離激元器件等。光器件的分析過程可以包括光與其他物理場的耦合，包括：半導體物理、結構變形、傳熱、電光、磁光、聲光、幾何光學和波動光學的耦合等。
一、光學發展簡史
神說，要有光，就有了光。《圣經》的開篇就提到了光，人類對光的認識可以追溯到遠古時期。中國古代思想家墨子的“小孔成像”實驗揭開了實驗研究光學的時代。
小孔成像
從歐幾里得到牛頓，古代的科學家都認為光是一種沿直線傳播的微粒。這種學說可以很好地解釋光的反射定律和折射定律，但無法解釋光的干涉和衍射現象。惠更斯的波動說認為光和聲一樣，以球面波傳播。這兩種理論都分別解釋了光的部分性質，但都沒有揭示到光的本質。
三棱鏡對白光的色散
直到麥克斯韋的電磁場理論的出現，人類才認識到光是一種電磁波，光學和電磁學開始聯系在了一起。麥克斯韋方程組共有四個方程：描述電荷如何產生電場的高斯定律、描述磁單極子不存在的高斯磁定律、描述電流和時變電場如何產生磁場的麥克斯韋-安培定律、描述時變磁場如何產生電場的法拉第感應定律。
麥克斯韋方程組的微分形式
二、光器件仿真原理
從本質上看，仿真光器件就是計算得出光場（電磁場）在器件和周圍環境中如何分布，以及如何隨時間變化。當電磁場隨時間呈正弦變化且振幅不變時，我們稱之為頻域分析。當電磁場隨時間的變化非正弦，例如是方波、三角波或高斯波時，稱作瞬態分析。這兩種分析所求解的偏微分方程不同，但都是由麥克斯韋方程組推導得到。理解了麥克斯韋方程組，就掌握了探索光器件奧秘的鑰匙。COMSOL的波動光學模塊就是通過計算由麥克斯韋方程組得出的偏微分方程來仿真各類光器件。
展開 常見的電芯片包括：
在高端模塊中，光芯片成本占比通常在40%-60%，電芯片成本占比通常在10-30%，合計占比約在80%
光器件
光器件可根據功能不同劃分為有源器件和無源器件。有源器件主要用于光電信號轉換，包括激光器、調制器、探測器和集成器件等。無源器件用于滿足光傳輸環節的其他功能，包括光連接器、光隔離器、光分路器、光濾波器、光開關等。
通過把一些器件集成組合后，可以形成光模塊中重要的兩個組件，分別是TOSA（光發射組件）以及ROSA（光接收組件），從而進行光電之間的信息轉換。
展開 RSoft是一款非常實用的光波導仿真軟件。其中包含了BPM,FDTD,FEM等多種算法，使得它能夠適用于各種不同要求場合。本課程主要使用RSoft算法集中的BPM算法對光波導和簡單光波導器件進行仿真計算，從而對光在波導中的傳輸有一定得了解。
一、軟件CAD界面：
下載網站上的壓縮包，解壓縮后運行C:\Program Files\RSoft\bin文件夾中的bcadw32.exe，即出現如下圖所示的CAD界面。此界面是定義波導結構和下一步計算的前提。
二、單根波導的仿真：
在軟件中，點擊左上角的”New Circuit”按鈕，如圖所示。
點擊后彈出基本設置對話框，波導的一些基本特性參數需要在此設定。我們模擬目前光通信系統中應用最為廣泛的掩埋型二氧化硅波導（channel型）。波導橫截面的尺寸結構為6um*6um，芯層折射率為1.465，包層折射率為1.455（包層和芯層的折射率差為0.01），通信波長為1.55um。基本參數的設定如下圖所示（注意，軟件中關于長度的單位均為um）：
設置完畢后點擊”OK”，進入CAD界面。
首先畫一根直波導。點擊”Segment mode” （新建文件時默認就是此模式），如上圖紅圈所示。之后在空白的CAD窗口中某一處單擊鼠標左鍵，在任意另一處再單擊左鍵，即可畫出一條波導，如下圖所示。
到目前為止，畫出的波導是任意的，我們還需要對它進行設置，滿足我們設計的要求。將鼠標移動至波導上（紅色區域上），再單擊鼠標右鍵，會彈出波導的設置菜單。由于我們只需要仿真普通的直波導，所以大部分設置保持默認即可。主要需要調整波導的位置。在RSoft軟件中，波導位置是由首尾兩個坐標確定的，并且BPM計算的光是只沿著z軸傳播（即豎直方向），這個是需要特別注意的。
展開 AR&MR光波導器件的仿真研究
使用光波導元件對“HoloLens 1”型進行建模
本使用案例演示了一個簡單的“HoloLens- 1”型布局設備的建模，該設備具有一個能夠以32°×18°視場引導光線的光波導組件。
光波導結構
使用光波導組件及其靈活的區域定義，可以在VirtualLab Fusion中設置帶有耦合光柵的光波導。
隨著增強現實和混合現實(AR&MR)領域新技術的出現，使光學光波導越來越受歡迎。為了對此類結構進行建模和設計，VirtualLab Fusion使用其強大的光波導工具箱，該工具箱允許靈活定義整體結構以及內外耦合器的不同區域。再加上它的非順序模擬引擎，結合了所有關鍵的物理效應，如偏振、孔徑衍射和相干性，為光學工程師提供了強大的工具，支持他們研究和設計用于AR和MR的光波導裝置。
展開 近日，中科院大連化物所熱化學研究組（DNL1903）史全研究員團隊在柔性相變材料研究方面取得新進展，通過簡單易行的策略合成了石墨烯基的復合相變材料膜，并將其應用于可穿戴的光-熱管理器件。該復合相變材料膜具有優異的柔韌性、儲熱能力、光熱轉化能力，為智能可穿戴光-熱管理器件的研究提供了新思路。
相變儲能材料能夠在相對恒定的溫度下吸收和釋放大量相變潛熱，目前廣泛應用于熱能儲存和溫度控制的熱管理領域。然而，傳統相變材料本身固有的液態泄漏、弱吸光能力以及固態剛性使其在可穿戴的智能光-熱轉化器件研究中極具挑戰性。
針對該問題，史全研究員團隊以聚合物和石墨烯為原料合成了具有優異柔韌性的復合石墨烯膜，并將相變材料復合其中得到柔性的復合相變材料膜。該復合相變材料膜具有優秀的形狀穩定性，即使在高于相變溫度時仍然保持固態而不發生泄漏；同時，該復合相變材料膜具有高相變材料負載量，表現出優異的儲熱能力，即使經過500個熱循環和彎曲循環仍然保持穩定；此外，該復合相變材料膜具有出色的光-熱轉化能力，可迅速將太陽能轉化為熱能儲存，轉化效率最高可達96%。研究人員進一步將該復合相變材料膜貼到人體模型表面，結果表明在彎曲狀態其仍然表現出穩定的光-熱轉化性能。該復合相變材料膜表現出可應用于人體可穿戴光-熱管理領域的潛力，為可穿戴智能織物的開發提供了新的方向。
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光器件的最新內容
</p><p><strong>內容簡介：</strong>本報告具體介紹先進硅基光電子制造平臺對硅光器件的賦能和提升，并展望制造平臺對高速光互連以及其它硅光特色應用的關鍵支撐作用。
光學計算
光計算旨在通過將電子器件與光處理器件互換來充分利用光信號的高帶寬。
例如，2014年，研究人員制作了一種由二氧化釩等離子體材料制成的200 nm太赫茲光開關。二氧化釩顯示出在不透明金屬相和透明半導體相之間轉換的能力。
二氧化釩納米粒子沉積在玻璃基板上，并與充當等離子體光電陰極的金納米粒子疊加。
連續調制光柵區域光波導的優化
在下面的例子中，您可以看到這些工具中的一些發揮作用：
快速物理光學軟件VirtualLab Fusion通過其波導工具箱提供了一系列方便的工具，可在設計過程中幫助光學工程師。例如用于光柵結構配置的用戶友好的工作流程，用于光柵分析的嚴格傅里葉模態算法
數字式環境光傳感器（Digital Ambient Light Sensor, ALS）是一種將環境光強度轉換為?數字信號?的光電轉換器件，廣泛應用于手機、筆記本、智能家居等設備的自動亮度調節，以提升視覺舒適度并降低功耗。
四大核心工作原理：
一、光電轉換?：采用?光電二極管?或?光電晶體管?作為感光元件。當可見光（通常覆蓋380–780 nm）照射到半導體材料上時，光子激發電子-空穴對，
光機設計的五個步驟
使用Ansys Zemax OpticStudio光學系統設計與分析軟件等工具定義和表征光學器件的光路徑后，就可以將光學幾何結構作為起點，開展光機設計流程。
每個光學器件都有不同的要求和設計步驟，但大多可歸類到以下五個類別之一：
1.材料選擇
第一步是確定系統中每個光學和機械部件所用的制造材料。
Ansys | 什么是光電子學？1個月前
光電子學與電光學
光電子學也與電光器件相關，但這兩類光-電混合器件之間存在一定區別。
光電器件和電光器件都可以與光波和電場相互作用，但它們的相互作用方式有所不同。光電器件可以實現電信號與光信號的相互轉換，而電光器件的核心在于電場如何利用器件中材料的光學屬性來控制、調制和操縱光。電光器件的一些示例包括光開關、調制器和高頻放大器。
光學計算
光計算旨在通過將電子器件與光處理器件互換來充分利用光信號的高帶寬。
例如，2014年，研究人員制作了一種由二氧化釩等離子體材料制成的200 nm太赫茲光開關。二氧化釩顯示出在不透明金屬相和透明半導體相之間轉換的能力。
二氧化釩納米粒子沉積在玻璃基板上，并與充當等離子體光電陰極的金納米粒子疊加。
光纖光柵是一種新型的光無源器件，具有制作簡單、造價低、穩定性好、體積小、抗電磁干擾、使用靈活、并易于同光纖系統兼容集成等諸多優點，所以近年來光纖光柵在光通信、光纖激光器和光纖傳感器等領域的應用越來越受到人們的重視，取得了令人矚目的成就。
1. 建模任務
本案例演示了均勻光纖布拉格光柵組件在OptiSystem中作為濾波器的應用。本案例有兩種項目布局。在第一種布局中，使用了白色光源。
用于光子學、光電子器件和光芯片級仿真的工具。
PySpeos：Ansys Speos的Python接口。專注于光學設計和可視化仿真，常用于照明系統、顯示器等的光學性能分析。
PyChemkin：Ansys Chemkin的Python接口。用于氣相和表面化學動力學模擬，是燃燒、催化等化學過程仿真的核心工具。
任務：如何準確計算波導的MTF？需要考慮哪些影響？
任務說明書
在增強現實和混合現實應用（AR/MR）領域的波導器件的設計過程中，準確計算可實現的光學性能是其主要任務之一。除了空間和角度均勻性外，一個非常重要的量是調制傳遞函數（MTF），它可以評估最終器件的分辨率能力。在本例中，我們指出了衍射和相干效應對計算得到的
