波導(dǎo)光子器件
關(guān)注創(chuàng)建者：320科技工作室 創(chuàng)建時(shí)間：2022-05-12
波導(dǎo)光子器件的視頻教程
001 - COMSOL光子晶體波導(dǎo)分束器（含講解）
001 - COMSOL光子晶體波導(dǎo)分束器（含講解，66元） 基本介紹： ·? 主要內(nèi)容：對一個(gè)典型的T型光子晶體分束器做了模擬； ·??基于COMSOL頻域求解，使用的軟件版本為COMSOL 5.3 (5.3.0.223)； ·??計(jì)算所需的內(nèi)存：8 GB； ·??涉及的內(nèi)容：自定義變量、組件耦合、完美匹配層、散射邊界條件、自定義網(wǎng)格 等； ·??繪制了：場分布和透反射率；
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Ansys Lumerical光子集成電路PIC 有源器件的設(shè)計(jì)與仿真
光子集成電路(Photonic Integrated Circuit, PIC) 由于具備可實(shí)現(xiàn)高速光電轉(zhuǎn)換、高頻寬、低損耗等特性，并且可以大幅縮減模組尺寸及成本，是未來發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。 Ansys Lumerical 為設(shè)計(jì)人員提供高性能光子模擬軟體，提供專門用于光子器件、電路和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的模擬環(huán)境。
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波導(dǎo)光子器件的實(shí)例教程
Lumerical是目前市場上專業(yè)的模擬光學(xué)仿真和硅基光電子設(shè)計(jì)軟件，提供了強(qiáng)大的設(shè)計(jì)環(huán)境，能夠?yàn)?em>光子設(shè)計(jì)師提供具有創(chuàng)造性，高精確度和成本效益的設(shè)計(jì)解決方案，幫助設(shè)計(jì)師開發(fā)下一代微納尺度光子技術(shù)。
本在線直播培訓(xùn)課程將從各個(gè)論文中的案例出發(fā)，針對FDTD和MODE兩套仿真軟件作深入淺出的介紹，并從腳本和可視化界面對結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模和仿真演示，完成對軟件的操作、分析及設(shè)計(jì)流程。
此次課程主要包括兩大板塊(二選一)：入門+超材料板塊；入門+波導(dǎo)光子器件板塊。
二 培訓(xùn)方式
本次培訓(xùn)全程線上授課, 采用一對一或者一對多方式進(jìn)行, 以視頻方式授課，工程案例講解，答疑，技術(shù)交流，
學(xué)員需要自行準(zhǔn)備電腦。
三 培訓(xùn)對象
研究方向?yàn)槌牧戏抡婊蛘?em>波導(dǎo)光子器件的研究人員
四、培訓(xùn)內(nèi)容
（1）入門板塊
主要通過一個(gè)簡單的實(shí)例對FDTD的界面和操作流程進(jìn)行介紹，并對涉及其中的材料庫、結(jié)構(gòu)組、光源和監(jiān)視器等進(jìn)行相關(guān)說明和解釋，最后將以簡單的案例出發(fā)對腳本建模進(jìn)行簡要的展示和說明。
一種超材料的電場圖
（2）超材料板塊
該板塊主要以案例為主，分別對多個(gè)論文中的超材料吸波體、可調(diào)超材料以及超透鏡進(jìn)行復(fù)現(xiàn)和說明。在本板塊將對所有結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化建模，并對輸出曲線進(jìn)行相關(guān)處理，此外還包括超透鏡的計(jì)算和整體3D建模，實(shí)現(xiàn)一鍵式腳本建模方法。
超透鏡的腳本建模過程圖
偏振分束聚焦超透鏡電場圖
（3）波導(dǎo)光子器件板塊
該板塊從MODE軟件出發(fā)，通過其中的FDE、EME以及varFDTD板塊對簡單波導(dǎo)、邊緣耦合器、光柵耦合器、Y型分束器、諧振環(huán)等光子無源器件進(jìn)行建模和相關(guān)的論文案例復(fù)現(xiàn)。
展開 Ansys Lumerical是業(yè)界領(lǐng)先的光子學(xué)仿真工具，其擁有完整的光子學(xué)仿真解決方案，支持全套光子學(xué)器件級和系統(tǒng)級仿真。器件和系統(tǒng)級工具無縫協(xié)作，讓設(shè)計(jì)人員能夠?qū)ο嗷プ饔玫墓鈱W(xué)、電氣和熱效應(yīng)進(jìn)行建模仿真。
產(chǎn)品之間靈活的互操作性支持將多物理場仿真和光子電路仿真與第三方EDA工具相結(jié)合的各種工作流程，以幫助優(yōu)化產(chǎn)品性能、最大限度地降低物理原型制作成本并縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。
Ansys Lumerical FDTD是業(yè)界公認(rèn)的微納光子器件仿真的標(biāo)準(zhǔn)工具。
這款高性能二維／三維麥克斯韋方程求解軟件，能夠精確分析具有微納尺寸或亞波長結(jié)構(gòu)與紫外、可見、紅外、太赫茲和微波的相互作用，能被廣泛應(yīng)用千微納光電子器件、工藝以及材料的設(shè)計(jì)、分析和優(yōu)化。
FDTD的集成設(shè)計(jì)環(huán)境支持腳本語言操作、高級后處理和結(jié)構(gòu)優(yōu)化功能，讓用戶可以更專注有效地完成設(shè)計(jì)要求。
規(guī)格概要
二維或三維建模
自定義任意表面和立體形貌
高級共形網(wǎng)格技術(shù)
靈活的材料插件
支持隨空間變化的各向異性材料
全矢量自定義和高數(shù)值孔徑的寬譜高斯光源
遠(yuǎn)場分析
Q因子分析
自動(dòng)提取S參數(shù)
能帶結(jié)構(gòu)分析
腳本和優(yōu)化程序
支持云計(jì)算和HPC高性能并行計(jì)算
主要特點(diǎn)
光子器件逆向設(shè)計(jì)優(yōu)化
針對目標(biāo)自動(dòng)化探索最佳設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)；找出性能優(yōu)化、面積最小化并提升工藝匹性的非直觀幾何形狀。
強(qiáng)大的后處理
強(qiáng)大的后處理功能，包括遠(yuǎn)場分析，能帶結(jié)構(gòu)分析，雙向散射分布函數(shù)(BSDF)生成，Q因子分析，電荷產(chǎn)生率。
非線性與各向異性材料
對含有非線性材料或各向異性空間變化材料的器件進(jìn)行彷真。可以選擇各種非線性、負(fù)折射率和增益的材料模型，或者使用靈活的材料插件自行定義新材料模型。
展開 RSoft是一款非常實(shí)用的光波導(dǎo)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(dǎo)和簡單光波導(dǎo)器件進(jìn)行仿真計(jì)算，從而對光在波導(dǎo)中的傳輸有一定得了解。
一、軟件CAD界面：
下載網(wǎng)站上的壓縮包，解壓縮后運(yùn)行C:\Program Files\RSoft\bin文件夾中的bcadw32.exe，即出現(xiàn)如下圖所示的CAD界面。此界面是定義波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和下一步計(jì)算的前提。
二、單根波導(dǎo)的仿真：
在軟件中，點(diǎn)擊左上角的”New Circuit”按鈕，如圖所示。
點(diǎn)擊后彈出基本設(shè)置對話框，波導(dǎo)的一些基本特性參數(shù)需要在此設(shè)定。我們模擬目前光通信系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的掩埋型二氧化硅波導(dǎo)（channel型）。波導(dǎo)橫截面的尺寸結(jié)構(gòu)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(shù)的設(shè)定如下圖所示（注意，軟件中關(guān)于長度的單位均為um）：
設(shè)置完畢后點(diǎn)擊”O(jiān)K”，進(jìn)入CAD界面。
首先畫一根直波導(dǎo)。點(diǎn)擊”Segment mode” （新建文件時(shí)默認(rèn)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(biāo)左鍵，在任意另一處再單擊左鍵，即可畫出一條波導(dǎo)，如下圖所示。
到目前為止，畫出的波導(dǎo)是任意的，我們還需要對它進(jìn)行設(shè)置，滿足我們設(shè)計(jì)的要求。將鼠標(biāo)移動(dòng)至波導(dǎo)上（紅色區(qū)域上），再單擊鼠標(biāo)右鍵，會彈出波導(dǎo)的設(shè)置菜單。由于我們只需要仿真普通的直波導(dǎo)，所以大部分設(shè)置保持默認(rèn)即可。主要需要調(diào)整波導(dǎo)的位置。在RSoft軟件中，波導(dǎo)位置是由首尾兩個(gè)坐標(biāo)確定的，并且BPM計(jì)算的光是只沿著z軸傳播（即豎直方向），這個(gè)是需要特別注意的。
展開 光子晶體是一類通過不同折射率介質(zhì)周期性的排列而形成的具有光波長量級的周期性人工微型結(jié)構(gòu)，相比于傳統(tǒng)晶體來說，由于介電函數(shù)的周期性分布，光子晶體也會產(chǎn)生一些類似于傳統(tǒng)晶體的帶隙，使光局域在帶隙中無法傳播。我們在完整的光子晶體陣列中引入線缺陷可以構(gòu)造出光子晶體波導(dǎo)，光子波導(dǎo)由于傳播低損耗和體積小等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于器件之后，在未來光通信領(lǐng)域有很大的前景。光子晶體在實(shí)際制備過程中由于不可避免的無序效應(yīng)而使自身的傳輸特性受到影響，甚至降低其光學(xué)器件的性能，但是在光子器件、隨機(jī)激光器、太陽能電池等應(yīng)用領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。因此，研究無序光子晶體結(jié)構(gòu)中光傳輸特性，實(shí)現(xiàn)對無序光子晶體的光傳輸特性的有效應(yīng)調(diào)控，這無論在理論上還是應(yīng)用上都具有非常深遠(yuǎn)的意義。
當(dāng)光機(jī)晶體波導(dǎo)里面有缺陷時(shí)，通過介質(zhì)傳播的波會經(jīng)歷多次散射。當(dāng)波長大于散射中心的大小時(shí)，散射體間距離相對較大，稱為弱散射。 在弱散射狀態(tài)下，波傳播是一個(gè)擴(kuò)散過程，我們可以用散射之間的平均自由程L或擴(kuò)散常數(shù)ξ來描述。如果散射量足夠大，則擴(kuò)散常數(shù)ξ消失，波傳播可以完全停止。這種現(xiàn)象被稱為安德森局域化。光子晶體在制作過程中難免會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)的不理想以及缺陷，這種情況被叫做結(jié)構(gòu)無序，結(jié)構(gòu)無序主要有空氣孔大小無序、位置無序和旋度無序三種情況。在這里，我們采用FDTD solutions軟件研究在單光子源入射的情況下，五邊形光子晶體波導(dǎo)的光傳輸特性隨無序程度變化的情況，進(jìn)而得出無序效應(yīng)對二維光子晶體光傳輸特性的影響，證明6%無序度的五邊形氣孔的六邊形光子晶體波導(dǎo)具有引人注目的光傳輸性質(zhì)。
在這項(xiàng)工作中，六邊形光子晶體晶格結(jié)構(gòu)采用如圖1所示的五邊形氣孔形狀。我們在七排光子晶體中部引入線缺陷，同時(shí)在線缺陷兩端設(shè)計(jì)三排五邊形氣孔的光子晶體，其他最外面三排設(shè)計(jì)成圓柱形氣孔的光子晶體。采用偶極子光源充當(dāng)量子點(diǎn)。
展開 而在量子光學(xué)與量子信息領(lǐng)域，光子軌道角動(dòng)量，作為內(nèi)秉的無限維的自由度，可將其用于分發(fā)高維的量子態(tài)以及構(gòu)建高維希爾伯特空間的量子計(jì)算機(jī)。
大規(guī)模地應(yīng)用軌道角動(dòng)量超越原理性的驗(yàn)證迫切地要求發(fā)展集成器件將軌道角動(dòng)量傳輸、產(chǎn)生以及操縱于一體化。之前的工作，不論是利用可控的位相陣列，還是微環(huán)共振腔產(chǎn)生軌道角動(dòng)量，均是將軌道角動(dòng)量輻射到自由空間中，無法存在于芯片內(nèi)部。金賢敏團(tuán)隊(duì)通過飛秒激光直寫技術(shù)制備了首個(gè)波導(dǎo)橫截面為“甜甜圈”型的三維集成的軌道角動(dòng)量波導(dǎo)光子芯片，使得軌道角動(dòng)量這一新興自由度在芯片內(nèi)操控得以在實(shí)驗(yàn)中首次實(shí)現(xiàn)。這也將促進(jìn)未來光子集成芯片上高維量子信息與高維量子計(jì)算的實(shí)現(xiàn)。
傳統(tǒng)的波導(dǎo)，由于其有效折射率過小而不能分開幾乎簡并的軌道角動(dòng)量模式。研究組通過三維飛秒激光直寫技術(shù)得到的“甜甜圈”波導(dǎo)可以有效地將簡并的軌道角動(dòng)量模式分開。此“甜甜圈”型波導(dǎo)是由12根相互之間有輕微重疊的波導(dǎo)和高折射率芯所組成的。通過測量從芯片出來的扭曲光與參考光的干涉以及對芯片前后的態(tài)作投影測量，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了此波導(dǎo)可以高效高保真地傳輸?shù)碗A軌道角動(dòng)量模式，特別是傳輸總效率高達(dá)60%。對于高階模式，目前加工出來的波導(dǎo)，會讓其轉(zhuǎn)化為低階模式。同時(shí)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，此波導(dǎo)也可以高保真地傳輸三比特的“qutrit”態(tài)，超越了傳統(tǒng)的兩比特的“qubit”態(tài)。這暗示著此波導(dǎo)將很有潛力可以用于高維量子態(tài)的傳輸與操控。
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波導(dǎo)光子器件的相關(guān)專題、標(biāo)簽、搜索
波導(dǎo)光子器件的最新內(nèi)容
引言
本文演示了一種將Synopsys OptoCompiler中開發(fā)的無源光子器件版圖導(dǎo)入Lumerical產(chǎn)品進(jìn)行光路仿真的工作流程。該工作流程利用Ansys Lumerical MODE中的EME（特征模擴(kuò)展）求解器進(jìn)行光學(xué)仿真，利用Ansys Lumerical CML Compiler生成緊湊模型，并利用Ansys Lumerical INTERCONNECT進(jìn)行光子電路設(shè)計(jì)和仿真。
連續(xù)調(diào)制光柵區(qū)域光波導(dǎo)的優(yōu)化
在下面的例子中，您可以看到這些工具中的一些發(fā)揮作用：
快速物理光學(xué)軟件VirtualLab Fusion通過其波導(dǎo)工具箱提供了一系列方便的工具，可在設(shè)計(jì)過程中幫助光學(xué)工程師。例如用于光柵結(jié)構(gòu)配置的用戶友好的工作流程，用于光柵分析的嚴(yán)格傅里葉模態(tài)算法
基于光柵的波導(dǎo)已經(jīng)開始主導(dǎo)增強(qiáng)和混合現(xiàn)實(shí)（AR & MR）領(lǐng)域。這些設(shè)備的最終測試是在設(shè)備用戶的視網(wǎng)膜處獲得數(shù)字仿生圖像的良好重建。性能的這一方面通常通過調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）來表征，調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）量化成像系統(tǒng)的分辨率能力。與視野范圍均勻性不同（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)小工具的質(zhì)量的另一個(gè)重要度量，因?yàn)榈途鶆蛐钥赡軐?dǎo)致極其不舒服的頻閃和閃爍效果），MTF對光源的時(shí)間相干性特性以及可能演變的任何衍射極其敏感
任務(wù)：如何準(zhǔn)確計(jì)算波導(dǎo)的MTF？需要考慮哪些影響？
任務(wù)說明書
在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和混合現(xiàn)實(shí)應(yīng)用（AR/MR）領(lǐng)域的波導(dǎo)器件的設(shè)計(jì)過程中，準(zhǔn)確計(jì)算可實(shí)現(xiàn)的光學(xué)性能是其主要任務(wù)之一。除了空間和角度均勻性外，一個(gè)非常重要的量是調(diào)制傳遞函數(shù)（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(yīng)對計(jì)算得到的
本期是Lumerical系列中無源器件專題-端面耦合器第二期。本期主要基于一種十字型異質(zhì)多芯波導(dǎo)的端面耦合器進(jìn)行詳盡分析，并通過Ansys Lumerical MODE模塊中的FDE Solver 和EME Solver，對波導(dǎo)的寬度和波導(dǎo)之間的距離以及劈尖波導(dǎo)的長度和相對位置進(jìn)行優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)了與高數(shù)值孔徑光纖（HNAF）的高效率耦合。
背景介紹
隨著光芯片制造工藝中套刻技術(shù)的發(fā)展和三維波導(dǎo)制造工藝的不斷完善
有源環(huán)節(jié)不僅包括電相移器、微環(huán)調(diào)制器、馬赫曾德行波調(diào)制器、垂直光電探測器、熱調(diào)諧波導(dǎo)等多種有源光子器件，還包含波分復(fù)用、PAM4收發(fā)等完整的PIC系統(tǒng)，可大大提升學(xué)員設(shè)計(jì)復(fù)雜光子集成電路系統(tǒng)的能力。
有源環(huán)節(jié)不僅包括電相移器、微環(huán)調(diào)制器、馬赫曾德行波調(diào)制器、垂直光電探測器、熱調(diào)諧波導(dǎo)等多種有源光子器件，還包含波分復(fù)用、PAM4收發(fā)等完整的PIC系統(tǒng)，可大大提升學(xué)員設(shè)計(jì)復(fù)雜光子集成電路系統(tǒng)的能力。
<p>隨著高速光通信與集成光子學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，行波馬赫曾德調(diào)制器（Travelling Wave Mach-Zehnder Modulator, TW-MZM）因其高帶寬、低驅(qū)動(dòng)電壓等優(yōu)勢，成為高速光互連系統(tǒng)的核心器件。</p><p>然而，其設(shè)計(jì)涉及光波導(dǎo)模式匹配、微波傳輸線阻抗調(diào)諧等多物理場耦合問題的協(xié)同優(yōu)化，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法存在效率低、迭代周期長、跨域協(xié)同難等問題。</p><p>基于此，<strong
摘要
在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和混合現(xiàn)實(shí)應(yīng)用（AR/MR）領(lǐng)域的波導(dǎo)器件的設(shè)計(jì)過程中，準(zhǔn)確計(jì)算可實(shí)現(xiàn)的光學(xué)性能是其主要任務(wù)之一。除了空間和角度均勻性外，一個(gè)非常重要的量是調(diào)制傳遞函數(shù)（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(yīng)對計(jì)算得到的MTF精度的影響。我們會進(jìn)一步說明，一個(gè)準(zhǔn)確和快速的包含這些影響的計(jì)算需要在一個(gè)單一平臺上結(jié)合高度交互性的模擬技術(shù)。這也使用戶能夠無縫地控制復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)的精度和速度間的平衡
AR&MR光波導(dǎo)器件的仿真研究
使用光波導(dǎo)元件對“HoloLens 1”型進(jìn)行建模
本使用案例演示了一個(gè)簡單的“HoloLens- 1”型布局設(shè)備的建模，該設(shè)備具有一個(gè)能夠以32°×18°視場引導(dǎo)光線的光波導(dǎo)組件。
光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)
使用光波導(dǎo)組件及其靈活的區(qū)域定義
