光子組件
關注創建者：關曉博 創建時間：2015-08-04
光子組件的實例教程
本專題將以“一期一會”的形式，攜手各領域專家，圍繞Ansys全產品線的技術優勢，帶您深入解析流體、結構、電子設計及電磁仿真、光學、光子學、半導體、自動駕駛、汽車、聲學、航空航天、材料等多個關鍵領域，讓復雜的專業知識觸手可及。
光線追跡（Ray Tracing）是一種計算方法，用于表示光線與物體相互作用時的行為方式。在光的波長遠小于與之相互作用的物體時，光線追跡可用于仿真光的行為。
光線追跡不僅可追蹤這些光線穿過不同光學及光子系統的路徑，而且還可仿真光線在與不同結構進行物理交互時的折射、反射或散射方式。光線可以通過許多類型的光學系統并與之相互作用，其中許多常見物體，如反射鏡、透鏡或棱鏡，所有這些相互作用都可以仿真。
然而，需要做出重要的區分。光線追跡涉及兩個方面的光的行為。其中，最常見的光線追跡應用領域，是電子游戲。光線追跡有助于游戲開發人員通過測定物體反射光線的方式，在游戲中提供逼真的視覺效果，從而實現著色器和全局照明（為3D場景添加逼真照明的算法）的實時開發。此外，其還可幫助開發人員提供表面紋理的渲染圖像。
視頻游戲是實時光線追跡技術，速度是關鍵，游戲引擎提供高級視覺效果以及高畫質圖像，盡管增加的算力會降低游戲的幀速率。游戲中的光線追跡以計算機圖形和渲染技術（光柵化等）為核心。
另一方面，在光學和光子學領域，光線追跡是光源與物理物體相互作用的方式，因此其考慮系統的材料屬性以及發生的物理相互作用。在光學和光子學領域，光線追跡的核心是準確定和光的行為核心，而不是作為視覺寫實的工具。本文重點介紹的是光線追跡在光學和光子組件設計中的應用。
光線追跡的工作原理？
光線追跡是一種計算方法，用于在光線穿過光學系統時對其進行建模。可將其用于設計透鏡、傳感器和其它光學組件，以便基于不同入射角的光與結構相互作用的方式來預測組件性能。
展開 該框架重點研究量子密鑰分發的實驗組件，通過模擬BB84協議在多種竊聽場景下的運行機制及抗噪聲密鑰分發過程，評估內置光子組件在實驗配置中的有效性。仿真結果為分析光子組件對QKD過程的影響提供了研究基礎。
首先，我們搭建一個如圖1所示的發射端部分。
圖1.發射端（Alice）系統布局
在上圖中，我們配置了連續波光源（CW激光器），并通過衰減值為0.1的光衰減器實現單光子量級輸出。系統設置了四種偏振片：水平、垂直、左對角和右對角偏振片。通過"Select"組件隨機選取四種偏振角度之一生成量子比特。
接下來，我們搭建如圖2所示的接收端部分。
圖2.接收端（Bob）部分系統布局
接收端同樣采用" Select "組件模擬隨機選擇線性基（水平/垂直）或對角基（左/右）的測量過程。
在本案例中，我們基于"攔截-重發"攻擊策略和"中間人"攻擊進行概括性建模。在我們的實驗場景中，Eve被設定為Alice和Bob之間的連接樞紐。她可以采取多種手段獲取密鑰，或者直接阻斷通信傳輸。圖3展示了Eve對BB84協議實施的不同安全攻擊方式。
圖3.攻擊端（Eve）系統布局
具體而言，Eve可以對傳輸中的量子比特進行攔截，并使用線偏振片、對角偏振片、移相器或光子旋轉器進行測量。她可以向Bob發送新的量子比特，也可以發送空量子比特或Alice的原始量子比特。我們使用"Select"組件來模擬Eve的隨機攻擊行為。
下面，我們考慮量子比特經自由空間光（FSO）傳輸后對眼圖的影響。圖4（a、b、c、d）依次為無Eve無FSO、有Eve無FSO、無Eve有FSO以及有Eve有FSO的BB84系統布局。
最后，我們比較圖4的a、b、c和d運行的眼圖結果，如圖5所示。
展開 該框架重點研究量子密鑰分發的實驗組件，通過模擬BB84協議在多種竊聽場景下的運行機制及抗噪聲密鑰分發過程，評估內置光子組件在實驗配置中的有效性。仿真結果為分析光子組件對QKD過程的影響提供了研究基礎。
首先，我們搭建一個如圖1所示的發射端部分。
圖1.發射端（Alice）系統布局
在上圖中，我們配置了連續波光源（CW激光器），并通過衰減值為0.1的光衰減器實現單光子量級輸出。系統設置了四種偏振片：水平、垂直、左對角和右對角偏振片。通過"Select"組件隨機選取四種偏振角度之一生成量子比特。
接下來，我們搭建如圖2所示的接收端部分。
圖2.接收端（Bob）部分系統布局
接收端同樣采用" Select "組件模擬隨機選擇線性基（水平/垂直）或對角基（左/右）的測量過程。
在本案例中，我們基于"攔截-重發"攻擊策略和"中間人"攻擊進行概括性建模。在我們的實驗場景中，Eve被設定為Alice和Bob之間的連接樞紐。她可以采取多種手段獲取密鑰，或者直接阻斷通信傳輸。圖3展示了Eve對BB84協議實施的不同安全攻擊方式。
圖3.攻擊端（Eve）系統布局
具體而言，Eve可以對傳輸中的量子比特進行攔截，并使用線偏振片、對角偏振片、移相器或光子旋轉器進行測量。她可以向Bob發送新的量子比特，也可以發送空量子比特或Alice的原始量子比特。我們使用"Select"組件來模擬Eve的隨機攻擊行為。
下面，我們考慮量子比特經自由空間光（FSO）傳輸后對眼圖的影響。
展開 FullWAVE：是一高度整合之復雜光子組件仿真設計分析軟件，它使用－有限差分時域之模擬分析方法，藉以分析一般光束傳播法所無法建立模型分析的光子組件，例如光晶體與環狀共振器等。因此，RSoft公司所開發的 BeamPROP 與 FullWAVE 軟體，兩者實際上是具有互補之作用。其主控程序為 BeamPROP 之 CAD Layout 系統，用來設計光波導組件及光路，亦即 BeamPROP 與 FullWAVE 共享同一個 CAD Layout 程序。
BandSOLVE：是目前世界上唯一一套商用的光子晶體能帶結構模擬分析設計軟件。集成了CAD和仿真功能，可以對所有光子晶體部件的能帶結構進行自動的計算,包括:二維或三維的光子晶片和波導，二維或三維的腔體結構問題以及光子晶體光纖。
GratingMOD：用以設計并分析在光纖/波導光柵元件之應用軟件。 體。其對于發展WDM與DWDM特別有助益。 它適合用來分析已知光柵結構(Design)，亦可藉由量測或已它適合用來分析已知光柵結構(Design)，亦可藉由量測或已知頻譜－決定該光柵之特性(Synthesis)。知頻譜－決定該光柵之特性(Synthesis)。 GratingMOD 可以設計分析任何波導橫向結構(Transverse GratingMOD可以設計分析任何波導橫向結構(Transverse Profile)，因為它使用BeamPROP 的CAD 繪圖界面設計光柵結構，并采用正交藕合模態理論(OrthogonalProfile)，因為它使用BeamPROP的CAD繪圖界面設計光柵結構，并采用正交藕合模(Orthogonal Coupled-Mode Theory) 與轉移矩陣法(Transfer Matrix Method)有效地分析光柵特性。
展開 FullWAVE：是一高度整合之復雜光子組件仿真設計分析軟件，它使用－有限差分時域之模擬分析方法，藉以分析一般光束傳播法所無法建立模型分析的光子組件，例如光晶體與環狀共振器等。因此，RSoft公司所開發的 BeamPROP 與 FullWAVE 軟體，兩者實際上是具有互補之作用。其主控程序為 BeamPROP 之 CAD Layout 系統，用來設計光波導組件及光路，亦即 BeamPROP 與 FullWAVE 共享同一個 CAD Layout 程序。
BandSOLVE：是目前世界上唯一一套商用的光子晶體能帶結構模擬分析設計軟件。集成了CAD和仿真功能，可以對所有光子晶體部件的能帶結構進行自動的計算,包括:二維或三維的光子晶片和波導，二維或三維的腔體結構問題以及光子晶體光纖。
GratingMOD：用以設計并分析在光纖/波導光柵元件之應用軟件。 體。其對于發展WDM與DWDM特別有助益。 它適合用來分析已知光柵結構(Design)，亦可藉由量測或已它適合用來分析已知光柵結構(Design)，亦可藉由量測或已知頻譜－決定該光柵之特性(Synthesis)。知頻譜－決定該光柵之特性(Synthesis)。 GratingMOD 可以設計分析任何波導橫向結構(Transverse GratingMOD可以設計分析任何波導橫向結構(Transverse Profile)，因為它使用BeamPROP 的CAD 繪圖界面設計光柵結構，并采用正交藕合模態理論(OrthogonalProfile)，因為它使用BeamPROP的CAD繪圖界面設計光柵結構，并采用正交藕合模(Orthogonal Coupled-Mode Theory) 與轉移矩陣法(Transfer Matrix Method)有效地分析光柵特性。
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然而，光的衍射極限是限制光子組件尺寸縮小（即限制在光波長的一半左右）的重要因素。因此，光子器件通常比其電子器件大1-2個數量級。
業界正在做出巨大努力，旨在利用表面等離子體的獨特屬性，將電子器件的尺寸效率與光子學的數據效率相結合。
本文重點介紹的是光線追跡在光學和光子組件設計中的應用。
光線追跡的工作原理？
光線追跡是一種計算方法，用于在光線穿過光學系統時對其進行建模。可將其用于設計透鏡、傳感器和其它光學組件，以便基于不同入射角的光與結構相互作用的方式來預測組件性能。光線在空氣中傳播并遇到另一種具有不同折射率（決定光在密度不同的兩種介質界面上彎曲程度的屬性）的材料時，會通過新介質折射，而有一部分則會反射。
然而，光的衍射極限是限制光子組件尺寸縮小（即限制在光波長的一半左右）的重要因素。因此，光子器件通常比其電子器件大1-2個數量級。
業界正在做出巨大努力，旨在利用表面等離子體的獨特屬性，將電子器件的尺寸效率與光子學的數據效率相結合。
什么是光線追跡？3個月前
本文重點介紹的是光線追跡在光學和光子組件設計中的應用。
光線追跡的工作原理？
光線追跡是一種計算方法，用于在光線穿過光學系統時對其進行建模。可將其用于設計透鏡、傳感器和其它光學組件，以便基于不同入射角的光與結構相互作用的方式來預測組件性能。
該框架重點研究量子密鑰分發的實驗組件，通過模擬BB84協議在多種竊聽場景下的運行機制及抗噪聲密鑰分發過程，評估內置光子組件在實驗配置中的有效性。仿真結果為分析光子組件對QKD過程的影響提供了研究基礎。
首先，我們搭建一個如圖1所示的發射端部分。
圖1.發射端（Alice）系統布局
在上圖中，我們配置了連續波光源（CW激光器），并通過衰減值為0.1的光衰減器實現單光子量級輸出。
該框架重點研究量子密鑰分發的實驗組件，通過模擬BB84協議在多種竊聽場景下的運行機制及抗噪聲密鑰分發過程，評估內置光子組件在實驗配置中的有效性。仿真結果為分析光子組件對QKD過程的影響提供了研究基礎。
首先，我們搭建一個如圖1所示的發射端部分。
認證了四款Ansys光子求解器，其中包括Ansys Lumerical FDTD?高級3D微納光子學仿真軟件和Ansys Lumerical MODE?光波導設計工具
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source=jishulink
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