波導光子器件的案例
Lumerical FDTD&MODE一對一線上直播培訓(超材料板塊和波導光子器件)
Lumerical是目前市場上專業的模擬光學仿真和硅基光電子設計軟件，提供了強大的設計環境，能夠為光子設計師提供具有創造性，高精確度和成本效益的設計解決方案，幫助設計師開發下一代微納尺度光子技術。
本在線直播培訓課程將從各個論文中的案例出發，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構進行建模和仿真演示，完成對軟件的操作、分析及設計流程。
此次課程主要包括兩大板塊(二選一)：入門+超材料板塊；入門+波導光子器件板塊。
二 培訓方式
本次培訓全程線上授課, 采用一對一或者一對多方式進行, 以視頻方式授課，工程案例講解，答疑，技術交流，
學員需要自行準備電腦。
三 培訓對象
研究方向為超材料仿真或者波導光子器件的研究人員
四、培訓內容
（1）入門板塊
主要通過一個簡單的實例對FDTD的界面和操作流程進行介紹，并對涉及其中的材料庫、結構組、光源和監視器等進行相關說明和解釋，最后將以簡單的案例出發對腳本建模進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，分別對多個論文中的超材料吸波體、可調超材料以及超透鏡進行復現和說明。在本板塊將對所有結構進行參數化建模，并對輸出曲線進行相關處理，此外還包括超透鏡的計算和整體3D建模，實現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）波導光子器件板塊
該板塊從MODE軟件出發，通過其中的FDE、EME以及varFDTD板塊對簡單波導、邊緣耦合器、光柵耦合器、Y型分束器、諧振環等光子無源器件進行建模和相關的論文案例復現。
展開 領先的光子學仿真工具Ansys Lumerical功能詳解：微納光子器件仿真的標準工具
Ansys Lumerical是業界領先的光子學仿真工具，其擁有完整的光子學仿真解決方案，支持全套光子學器件級和系統級仿真。器件和系統級工具無縫協作，讓設計人員能夠對相互作用的光學、電氣和熱效應進行建模仿真。
產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工具相結合的各種工作流程，以幫助優化產品性能、最大限度地降低物理原型制作成本并縮短產品上市時間。
Ansys Lumerical FDTD是業界公認的微納光子器件仿真的標準工具。
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構與紫外、可見、紅外、太赫茲和微波的相互作用，能被廣泛應用千微納光電子器件、工藝以及材料的設計、分析和優化。
FDTD的集成設計環境支持腳本語言操作、高級后處理和結構優化功能，讓用戶可以更專注有效地完成設計要求。
規格概要
二維或三維建模
自定義任意表面和立體形貌
高級共形網格技術
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值孔徑的寬譜高斯光源
遠場分析
Q因子分析
自動提取S參數
能帶結構分析
腳本和優化程序
支持云計算和HPC高性能并行計算
主要特點
光子器件逆向設計優化
針對目標自動化探索最佳設計與結構；找出性能優化、面積最小化并提升工藝匹性的非直觀幾何形狀。
強大的后處理
強大的后處理功能，包括遠場分析，能帶結構分析，雙向散射分布函數(BSDF)生成，Q因子分析，電荷產生率。
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行彷真。可以選擇各種非線性、負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 利用RSoft的BPM算法對光波導和簡單光波導器件進行仿真 ￥15
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 基于Lumerical fdtd進行無序光子晶體波導的仿真設計及優化
光子晶體是一類通過不同折射率介質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構，相比于傳統晶體來說，由于介電函數的周期性分布，光子晶體也會產生一些類似于傳統晶體的帶隙，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造出光子晶體波導，光子波導由于傳播低損耗和體積小等優點廣泛應用于器件之后，在未來光通信領域有很大的前景。光子晶體在實際制備過程中由于不可避免的無序效應而使自身的傳輸特性受到影響，甚至降低其光學器件的性能，但是在光子器件、隨機激光器、太陽能電池等應用領域有著廣泛的應用前景。因此，研究無序光子晶體結構中光傳輸特性，實現對無序光子晶體的光傳輸特性的有效應調控，這無論在理論上還是應用上都具有非常深遠的意義。
當光機晶體波導里面有缺陷時，通過介質傳播的波會經歷多次散射。當波長大于散射中心的大小時，散射體間距離相對較大，稱為弱散射。 在弱散射狀態下，波傳播是一個擴散過程，我們可以用散射之間的平均自由程L或擴散常數ξ來描述。如果散射量足夠大，則擴散常數ξ消失，波傳播可以完全停止。這種現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結構的不理想以及缺陷，這種情況被叫做結構無序，結構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的光傳輸特性隨無序程度變化的情況，進而得出無序效應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具有引人注目的光傳輸性質。
在這項工作中，六邊形光子晶體晶格結構采用如圖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，同時在線缺陷兩端設計三排五邊形氣孔的光子晶體，其他最外面三排設計成圓柱形氣孔的光子晶體。采用偶極子光源充當量子點。
展開 
上海交大金賢敏團隊制備出軌道角動量波導光子芯片
而在量子光學與量子信息領域，光子軌道角動量，作為內秉的無限維的自由度，可將其用于分發高維的量子態以及構建高維希爾伯特空間的量子計算機。
大規模地應用軌道角動量超越原理性的驗證迫切地要求發展集成器件將軌道角動量傳輸、產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，還是微環共振腔產生軌道角動量，均是將軌道角動量輻射到自由空間中，無法存在于芯片內部。金賢敏團隊通過飛秒激光直寫技術制備了首個波導橫截面為“甜甜圈”型的三維集成的軌道角動量波導光子芯片，使得軌道角動量這一新興自由度在芯片內操控得以在實驗中首次實現。這也將促進未來光子集成芯片上高維量子信息與高維量子計算的實現。
傳統的波導，由于其有效折射率過小而不能分開幾乎簡并的軌道角動量模式。研究組通過三維飛秒激光直寫技術得到的“甜甜圈”波導可以有效地將簡并的軌道角動量模式分開。此“甜甜圈”型波導是由12根相互之間有輕微重疊的波導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作投影測量，實驗驗證了此波導可以高效高保真地傳輸低階軌道角動量模式，特別是傳輸總效率高達60%。對于高階模式，目前加工出來的波導，會讓其轉化為低階模式。同時實驗發現，此波導也可以高保真地傳輸三比特的“qutrit”態，超越了傳統的兩比特的“qubit”態。這暗示著此波導將很有潛力可以用于高維量子態的傳輸與操控。
展開 009 – COMSOL含Kerr材料的二維光子晶體波導（僅模型文件） ￥40
009 - COMSOL含Kerr材料的二維光子晶體波導（僅包含模型文件，40元）
基本介紹：
主要內容：根據發表在Journal of Modern Optics上的文獻《A novel proposal for all-optical compact and fast XOR/XNOR gate based on photonic crystal 作者：Golnaz Tavakoli等》，用COMSOL重復其中的圖2；
計算所需的內存：8 GB；
基于COMSOL頻域求解，使用的軟件版本為COMSOL 5.3 (5.3.0.223)；
涉及的內容：組件耦合-最大最小值、組件耦合-積分、自定義變量、非線性材料（Kerr材料）、完美匹配層、散射邊界條件、參數化掃描 等；
繪制了：電場模、電場z分量、光強分布、折射率分布；
注意：本案例僅包含模型文件，沒有講解視頻，不附帶答疑指導。
包含的文件截圖：
詳細描述：
如上圖所示，基本結構是三角晶格二維光子晶體波導。在兩個平行波導之間制造一個“><”形狀的耦合區域，耦合區域內部的介質柱替換為一種 Kerr 非線性材料。
Kerr 非線性材料的折射率與所處位置的光強有關，可表示為：
其中
光從 A 端口入射，由于 Kerr 非線性材料的折射率與光強有關，所以光經過“><”形耦合區域后，入射光強較大時光主要從 B 端口輸出，而入射光強較小時光主要從 D 端口輸出。
計算的內容和結果：
1、當入射光強較小時，電場z分量分布。左：論文中的結果；右：本案例的結果
2、當入射光強較大時，電場z分量分布。左：論文中的結果；右：本案例的結果
再次提醒：本案例僅包含模型文件，沒有講解視頻，也不附帶答疑指導。
展開 [NEWSLETTER] 增強現實（AR）波導器件的MTF分析
基于光柵的波導已經開始主導增強和混合現實（AR & MR）領域。這些設備的最終測試是在設備用戶的視網膜處獲得數字仿生圖像的良好重建。性能的這一方面通常通過調制傳遞函數（MTF）來表征，調制傳遞函數（MTF）量化成像系統的分辨率能力。與視野范圍均勻性不同（增強現實小工具的質量的另一個重要度量，因為低均勻性可能導致極其不舒服的頻閃和閃爍效果），MTF對光源的時間相干性特性以及可能演變的任何衍射極其敏感，不僅在到視網膜的最后傳播步驟中（給定的，因為我們正在傳播到焦點中），而且關鍵的是，還有在波導內傳播時發生的衍射（通常由光柵區域邊界處的截斷引起）。
光學建模和設計軟件VirtualLab Fusion提供了完美的工具來應對這些具有挑戰性的設計任務。它的的建模技術所提供的靈活性實現了在單一軟件平臺上互操作性的最大無縫性，光學設計人員每次都能在精度和速度之間取得必要的平衡--模擬的精度和速度都能達到所需的準確性和盡可能快。
如果你仍然需要說服力，請繼續看看下面的例子！
用于AR應用的復雜波導器件中MTF分析的精度-速度平衡控制
在這個用例中，我們展示了光源的時間相干性和衍射是如何影響光在波導內傳播的。當表征基于光柵波導的PSF和MTF以用于AR和MR領域時，必須在模型中考慮這些影響。
光波導的構造
可以使用光導組件及其靈活的區域定義在VirtualLab Fusion中設置帶有耦合光柵的光波導。
展開 AR&MR光波導器件的仿真研究
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。
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。
展開 VirtualLab：AR&MR光波導器件的仿真研究
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。
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。
展開 AR&MR光波導器件的仿真研究
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 AR和MR光波導器件耦合光柵的優化
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(FMM)，以及參數優化方法和一些針對光波導的系統設計方法。
本周，我們將繼續深入討論這個話題，看看光波導系統耦合光柵的優化。由于它們的尺寸小和自由參數很多的特點，這些任務眾所周知地極具挑戰性。
在上周的通訊中，我們強調了分析基于光波導的增強和混合現實(AR & MR)設備的一些挑戰。
連續調制光柵區域光波導的優化
我們演示了針對特定入射方向優化矩形光柵的設計流程，以獲得特定衍射級次的最大效率。
展開 
7/29 與Foundry工藝兼容的Lumerical新版光子器件設計流程
內容簡介：
光子集成電路近年在眾多應用領域包括數據通訊，RF，傳感，AR/VR，自動駕駛和醫療等得到了快速發展。光電工藝設計套件（PDKs）的開發對于硅光技術在這些領域的商用至關重要。Ansys基于PDK-driven methodologies的思路創新的提供了一種基于工藝的器件設計流程，可以幫助設計人員添加符合Foundry生產規范的自定義器件庫，快速實現可用器件庫的擴充。
在設計流程中，用戶可通過Ansys Lumerical的DEVICE Suite高效可靠的實現與Foundry工藝兼容的器件仿真設計，幫助設計者更有信心的實現器件仿真與鑄造工藝一致性。Ansys與世界領先的硅光Foundry積極合作，為新的設計流程提供充分支持，并在其PDK中已提供了所需的工藝文檔。
無論是PDK設計人員或是PIC的終端產品設計者，都將從本次網絡研討會學習到符合工藝規范流程的自定義設計流程和所需工具的實用知識。本次網絡研討會從研發這項工作流程的動機和概述開始，然后會進一步演示如何通過DEVICE Suite中改良版的Layer Builder工具，創建和使用Foundry提供的工藝文件。網絡研討會最后會提供現有晶圓廠對該設計流程支持的討論環節。
培訓時間及內容：
2020年7月29日 10:00-11:00
報名鏈接：http://event.31huiyi.com/1891235984/index?c=jishulink
展開 VirtualLab：AR和MR光波導器件耦合光柵的優化
在上周的通訊中，我們強調了分析基于光波導的增強和混合現實(AR & MR)設備的一些挑戰。我們將繼續深入討論這個話題，看看光波導系統耦合光柵的優化。由于它們的尺寸小和自由參數很多的特點，這些任務眾所周知地極具挑戰性。
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(FMM)，以及參數優化方法和一些針對光波導的系統設計方法。
在下面的例子中，您可以看到這些工具中的一些發揮作用：
連續調制光柵區域光波導的優化
本例演示了如何通過EPE和外耦合器區域連續變化的光柵占空因子來優化光波導，以實現眼動范圍內足夠的橫向均勻性。
單入射方向光波導耦合光柵的優化
我們演示了針對特定入射方向優化矩形光柵的設計流程，以獲得特定衍射級次的最大效率。
展開 面向大口徑超薄平面光學器件及應用：PB相位液晶光子技術
圖1 （a）傳統光學元件，（b）液晶聚合物平面透鏡
圖2基于PB相位液晶元器件中液晶分子的指向矢分布。(a)透鏡，(b)光柵，(c)液晶分子從0到2π變化，對應相位在0到4π之間變化，在2π位置由于液晶分子自組裝作用，不存在相位突變。
圖3 基于液晶聚合物的平面光學元件制備流程
基于幾何相位的液晶超表面器件，利用液晶分子在平面內0-180°指向變化，來控制光學波前0-2π相位變化，從而實現復雜光學相位器件（圖2）。該新型光學元器件的制備流程由圖3中給出，主要包括旋涂偏振光敏薄膜、圖案化偏振曝光、灌注液晶（LC）或者涂敷液晶聚合物（LCP）材料，即可完成主動可控的液晶光子器件或者耐用薄膜液晶聚合物光子器件，其中器件效率通過半波延遲量來控制。幾何相位液晶平面光學有以下特點：
輕薄、易集成：液晶或者液晶聚合物材料具有相對較高的雙折射率(約0.15)，僅需<2 um的厚度即可滿足可見光至近紅外器件的半波延遲需求。液晶聚合物薄膜可通過層壓、膠粘等工藝與多種光學元件進行對準集成。
分子指向電場可控，便于面向主動光學器件應用。由于感生偶極矩作用，液晶分子排列能夠通過電場進行操控，進而主動控制液晶器件的特性，便于制造主動液晶光柵、可調液晶微透鏡陣列等核心光學部件。
波前像差小：光學幾何相位分布通過液晶分子取向控制獲得，在0至2π相位突變位置，自組裝液晶分子指向平滑連續，便于消除拼接等成像誤差；
工作參數便于擴展。將多層液晶器件堆疊，能夠擴展光束調控的自由度。例如，將多個偏振光柵堆疊，能夠實現大角度、小間隔光束掃描。將多個渦旋波片堆疊，能夠實現多種拓撲荷光束輸出。將多個透鏡堆疊，能夠實現不同焦距的液晶成像系統。
展開 報名 | Ansys Lumerical光子集成電路PIC無源器件的設計與仿真培訓
光子集成電路 (Photonic Integrated Circuit，PIC) 由于具備可實現高速光電轉換、高頻寬、低損耗等特性，并且可以大幅縮減模組尺寸及成本，將是未來發展的關鍵技術。Ansys Lumerical 為設計人員提供高性能光子仿真軟件，提供專門用于光子器件、電路和系統設計的模擬環境。針對PIC的應用，Lumerical提供包括光子有源器件，無源器件及circuit芯片級的完整解決方案。
5月25日，Ansys Lumerical光子集成電路PIC無源器件的設計與仿真網絡培訓即將開始，培訓將以PIC無源器件設計作為范例，針對FDTD及MODE兩個產品作深入淺出的介紹，從演算法到實際范例演示，包括完整軟件的操作、分析及設計流程。歡迎報名參加，本次培訓人數限定20人，席位有限先到先得！
時間：5月25日（星期二），14:00-17:00
培訓日程：
講師介紹：
陳致豪
陳致豪(Chih-Hao Chen)，大學就讀于清華大學電機系，在臺灣大學光電工程研究所取得碩士學位。畢業后曾就職于顯示器產業，研究液晶光學以及液晶顯示器光學設計，有六年液晶顯示器的設計經驗。在2020年加入Ansys/Lumerical擔任應用工程師，熟悉FDTD和MODE仿真工具。主要負責亞太地區客戶的技術支持，幫助客戶排除問題以及實現仿真目標，同時也協助介紹和推廣公司產品，不定期參加或協助舉辦研討會，分享光學相關領域的產品應用實例。
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