光子學(xué)與集成光學(xué)
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2025-11-11
光子學(xué)與集成光學(xué)的視頻教程
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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光子學(xué)與集成光學(xué)的實(shí)例教程
圖1：典型光學(xué)干涉器的基本結(jié)構(gòu)
圖2：Sagnac干涉器的發(fā)明者法國物理學(xué)家Georges Sagnac (1869 ? 1928) 以及基于Sagnac干涉的光學(xué)器件的發(fā)展歷程
其次，論文將集成Sagnac干涉器作為集成光子器件中的基本結(jié)構(gòu)單元，和其他基本結(jié)構(gòu)單元如馬赫曾德干涉器，環(huán)形諧振器，以及光子晶體諧振腔，布拉格光柵進(jìn)行了特性對比(圖3-5)，并對集成Sagnac干涉器件的仿真建模方法進(jìn)行了具體介紹。
圖3：集成光子器件中的基本結(jié)構(gòu)單元 (a) 定向耦合器， 以及以其為基礎(chǔ)衍生的二級結(jié)構(gòu)單元包括 (b) 馬赫曾德干涉器，(c) 環(huán)形諧振器，和 (d) Sagnac 干涉器
圖4：集成馬赫曾德干涉器，分插復(fù)用型環(huán)形諧振器，以及級聯(lián)Sagnac干涉器的幅頻響應(yīng)對比
圖5：集成一維光子晶體諧振腔，布拉格光柵，以及級聯(lián)Sagnac干涉器的幅頻響應(yīng)對比
然后，論文對Sagnac干涉器件在集成光子學(xué)中的具體應(yīng)用進(jìn)行了分類總結(jié)，包括集成反射鏡，光陀螺儀(圖6)，光濾波器(圖7)，頻域交織器，量子物理現(xiàn)象的光學(xué)類似(圖8)，以及其他應(yīng)用。其中光陀螺儀作為Sagnac干涉的典型應(yīng)用，又具體分為基于波導(dǎo)干涉的光陀螺儀，基于無源諧振腔的光陀螺儀，和基于布里淵環(huán)形激光器的光陀螺儀。
展開 Lumerical 與 Synopsys OptoCompiler? 的無縫集成，以應(yīng)對光子集成電路設(shè)計(jì)中的復(fù)雜挑戰(zhàn)，通過我們集成的功能和工作流程，工程師可以無縫設(shè)計(jì)單個(gè)光子元件，模擬光子集成電路，創(chuàng)建和實(shí)現(xiàn)版圖，并使用專業(yè)的Synopsys 工具進(jìn)行電光協(xié)同仿真，最大限度地減少使用多工具的開銷。
</p><p>為幫助大家更好的了解Ansys 2024 R2新版本中光學(xué)仿真功能變化，<strong>9月24日</strong>，Ansys系列網(wǎng)絡(luò)研討會推出<strong>「Ansys 2024 R2：Ansys 光學(xué)與光子學(xué)仿真新功能介紹」</strong>，為大家詳細(xì)介紹Ansys 2024 R2光學(xué)產(chǎn)品新功能：</p><ul><li>在Speos新版本中增強(qiáng)了Zemax和Speos的簡化數(shù)據(jù)交換以及Speos中基于序列的路徑檢測，進(jìn)而考慮到了雜散光對系統(tǒng)性能的實(shí)際影響，同時(shí)也增強(qiáng)了光導(dǎo)設(shè)計(jì)和實(shí)時(shí)預(yù)覽；</li><li>在Zemax新版本中通過提高公差能力來考慮裝配和制造誤差對實(shí)際結(jié)果的影響；</li><li>在Lumerical新版本中通過使用行業(yè)領(lǐng)先的布局工具增強(qiáng)工作流程，實(shí)現(xiàn)光子集成電路的現(xiàn)實(shí)世界設(shè)計(jì)，同時(shí)增強(qiáng)了多尺寸、多物理場仿真工具之間工作流程。</li></ul><p class="ql-align-center">獲取更多精彩內(nèi)容，歡迎大家報(bào)名參會！</p><p><img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/sJ5jnYn8SicedqJt6z63Gb6sEwXO3hGpT5SoGnMl5mPLn9kL3klT6icicJ72OI5UoG2YB7Ppp6dGwDzwlWIIjXWcw/640?
展開 圖三：結(jié)構(gòu)復(fù)雜度不斷增大的量子“快速到達(dá)”實(shí)驗(yàn)結(jié)果
金賢敏研究團(tuán)隊(duì)通過理論創(chuàng)新、高精度的芯片制備、單光子級的注入和成像等一系列努力，最終首次在復(fù)雜六方粘合樹結(jié)構(gòu)“快速到達(dá)”問題中成功實(shí)現(xiàn)量子加速優(yōu)勢。光量子集成芯片中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果在最優(yōu)到達(dá)效率及最優(yōu)演化長度兩方面都吻合的很好，這與研究團(tuán)隊(duì)過去三年所發(fā)展的飛秒激光直寫制備三維光量子集成芯片的精準(zhǔn)工藝是分不開的。
金賢敏研究團(tuán)隊(duì)所發(fā)展的基于三維光子集成芯片的大規(guī)模量子演化系統(tǒng)，使得研發(fā)各種物理系統(tǒng)可擴(kuò)展的專用光量子計(jì)算原型機(jī)成為可能。同時(shí)，這種粘合樹結(jié)構(gòu)很容易讓人聯(lián)想到計(jì)算機(jī)科學(xué)中的二元樹或決策樹，若能將量子算法運(yùn)用到計(jì)算機(jī)科學(xué)中的優(yōu)化、管理、及信息搜尋等各種實(shí)際問題中去，有望極大地推動量子計(jì)算機(jī)的實(shí)際應(yīng)用。還有望用來解決許多跨學(xué)科交叉的科學(xué)問題并衍生新興研究領(lǐng)域，比如與實(shí)驗(yàn)室天文學(xué)模擬、量子人工智能[Physical Review Letters 120, 240501 (2018)]、量子拓?fù)?em>光子學(xué)[arXiv:1810.01435 (2018)]、生物醫(yī)藥及成像等學(xué)科相互關(guān)聯(lián)的綜合性研究。今年10月初，金賢敏團(tuán)隊(duì)剛剛發(fā)布了首款專用光量子計(jì)算軟件FeynmanPAQS [arXiv: 1810.02289 (2018)]，也是旨在讓量子計(jì)算面向更加廣泛的科研學(xué)者、工程師和熱心科普的群體，力圖促進(jìn)更多專用光量子計(jì)算算法的發(fā)現(xiàn)、基礎(chǔ)科研領(lǐng)域交叉、量子計(jì)算的工程化應(yīng)用對接。
期待不久的將來，專用光量子計(jì)算機(jī)能夠真正為各行業(yè)帶來更多令人欣喜的應(yīng)用。
展開 本文介紹了一種用于光子集成電路光纖-波導(dǎo)耦合系統(tǒng)的多尺度仿真工作流程。光與光柵耦合器在微觀上的相互作用使用 Ansys Lumerical 進(jìn)行仿真，而 Ansys Zemax OpticStudio 則用于宏觀傳播和公差分析。此示例的工作流由四個(gè)步驟組成。前兩個(gè)步驟模擬了光從光柵耦合器傳播到光纖（“出”方向），而后兩個(gè)步驟模擬了光從光纖傳播到光柵耦合器（“入”方向）。分析了兩個(gè)方向?qū)ο到y(tǒng)損耗的貢獻(xiàn)，以及對光纖橫向偏移的公差分析。
一、概述
由于模式失配以及對光纖和波導(dǎo)之間的錯(cuò)位高度敏感，高效的光纖-波導(dǎo)耦合器設(shè)計(jì)非常具有挑戰(zhàn)性。為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，復(fù)雜的耦合器設(shè)計(jì)涉及光與微觀及宏觀結(jié)構(gòu)相互作用。在不同尺度級別上對這些復(fù)雜的相互作用進(jìn)行仿真和優(yōu)化對于耦合器的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。在本文中，我們介紹了一種多尺度的仿真工作流，利用 Ansys Lumerical 和 Ansys Zemax OpticStudio 之間的互操作性來設(shè)計(jì)耦合器。在可以解決高效耦合器設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)的各種耦合機(jī)制中，我們提出了一種帶有光柵耦合器的解決方案，其中在光柵上方添加微透鏡以提高光纖對準(zhǔn)的公差。工作流劃分如下：
第 1 步：使用 Lumerical 進(jìn)行微觀設(shè)計(jì)（“OUT”方向）
對于設(shè)計(jì)的起點(diǎn)，假設(shè)我們有一個(gè)經(jīng)過優(yōu)化的光柵。有關(guān)如何優(yōu)化光柵以實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)與光纖耦合的更多詳細(xì)信息，請參閱文章Lumerical 針對 Grating coupler 的仿真分析方法。
Ansys Lumerical 的 FDTD 求解器用于計(jì)算光柵輸出端的電場。然后將結(jié)果導(dǎo)出到 .zbf 文件中。
第 2 步：使用 Zemax 進(jìn)行宏觀設(shè)計(jì)（“OUT”方向）
步驟 1 中的 .zbf 文件被導(dǎo)入 OpticStudio 中，用于將光進(jìn)一步傳播到光學(xué)系統(tǒng)中。
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在過去的幾十年中，電子和光子學(xué)取得了長足的進(jìn)步，顯著改進(jìn)了數(shù)據(jù)處理技術(shù)，使我們的生活發(fā)生了翻天覆地的變化。
表面等離子體光子學(xué)描述了在金屬-電介質(zhì)界面上對光信號進(jìn)行納米級（十億分之一米）操作。受光子學(xué)的啟發(fā)，表面等離子體光子學(xué)利用了金屬納米結(jié)構(gòu)的獨(dú)特屬性，使得在近原子尺度下傳輸光信號成為可能。
在同一半導(dǎo)體芯片上集成傳統(tǒng)的光子學(xué)和電子學(xué)與表面等離子體光子學(xué)具有顯著的優(yōu)勢，可創(chuàng)造出超高速的計(jì)算機(jī)芯片和光通信器件
<p>Ansys光學(xué)與光子學(xué)解決方案提供功能強(qiáng)大的設(shè)計(jì)、優(yōu)化和驗(yàn)證仿真軟件，可幫助設(shè)計(jì)師更快地開發(fā)出卓越的光學(xué)產(chǎn)品，同時(shí)提升產(chǎn)品的性能、可靠性和良率。在最新發(fā)布的2026 R1 新版本中，通過簡化的雜散光分析工作流程，Ansys Zemax OpticStudio 與 Ansys Speos for NX 之間強(qiáng)大的光學(xué)設(shè)計(jì)交換 (ODX) 以及實(shí)用的 NEST 容差，推動了光學(xué)和光子工程的發(fā)展；Synopsys
在光學(xué)膠的研發(fā)中，我們常常面臨一個(gè)核心矛盾：通過精妙的分子設(shè)計(jì)與網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，材料在理論上擁有了優(yōu)異的性能，但它在實(shí)際工況下的長期表現(xiàn)——能承受多少次彎折？在持續(xù)應(yīng)力下會否失效？——卻往往因缺乏關(guān)鍵的連接數(shù)據(jù)而難以回答。
正如劉維民院士團(tuán)隊(duì)在《Chemical Reviews》關(guān)于“聚合物凝膠力學(xué)調(diào)控”的重磅綜述中所指出的，前沿的解決思路是 “協(xié)同方法學(xué)”（synergistic methodology
寫在前面
仿真、模擬、有限元分析、多物理場……這些術(shù)語是不是早已成為每位仿真人的“日?！?？大家是否知曉其背后的技術(shù)原理和演進(jìn)趨勢，正深刻地改變著世界？Ansys全新推出【Simulation Topics】系列專題，邀您一起探索仿真世界。本專題將以“一期一會”的形式，攜手各領(lǐng)域?qū)＜遥瑖@Ansys全產(chǎn)品線的技術(shù)優(yōu)勢，帶您深入解析流體、結(jié)構(gòu)、電子設(shè)計(jì)及電磁仿真、光學(xué)、光子學(xué)、半導(dǎo)體、自動駕駛、汽車
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在這個(gè)例子中，Ansys Lumerical INTERCONNECT的光子集成電路(PIC)建模能力與Icepak強(qiáng)大的熱仿真能力相結(jié)合，用于仿真和設(shè)計(jì)波分復(fù)用(WDM)收發(fā)器，同時(shí)考慮封裝中其他區(qū)域（例如電子集成電路(EIC)、印刷電路板(PCB) 等）的發(fā)熱。
一、概述
本文以一個(gè)六通道WDM系統(tǒng)為例進(jìn)行研究
用于光子集成電路的集成微透鏡和光柵耦合器4個(gè)月前
本文介紹了一種用于光子集成電路光纖-波導(dǎo)耦合系統(tǒng)的多尺度仿真工作流程。光與光柵耦合器在微觀上的相互作用使用 Ansys Lumerical 進(jìn)行仿真，而 Ansys Zemax OpticStudio 則用于宏觀傳播和公差分析。此示例的工作流由四個(gè)步驟組成。前兩個(gè)步驟模擬了光從光柵耦合器傳播到光纖（“出”方向），而后兩個(gè)步驟模擬了光從光纖傳播到光柵耦合器（“入”方向）。分析了兩個(gè)方向?qū)ο到y(tǒng)損耗的貢獻(xiàn)
超表面計(jì)量學(xué)的光學(xué)屬性4個(gè)月前
光學(xué)超表面（MS）是一種新型的平面光學(xué)元件，由于其緊湊性、多功能性以及設(shè)備集成性的優(yōu)點(diǎn)，正深刻變革著光學(xué)設(shè)計(jì)領(lǐng)域。本期文章將介紹現(xiàn)有的用于超表面檢測的光學(xué)計(jì)量技術(shù)，包括振幅、偏振、定量相位測量以及疊層成像等 ，最后討論了超表面在光學(xué)計(jì)量中的應(yīng)用以及未來的發(fā)展趨勢。
引言
過去十年間，平面結(jié)構(gòu)化光學(xué)界面（即超表面）發(fā)展迅猛。超表面本質(zhì)上是平面器件，可借助半導(dǎo)體制造工具和設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)，有望實(shí)現(xiàn)晶圓級制造以及與光電子系統(tǒng)集成
Lumerical光子集成電路光電元件設(shè)計(jì)4個(gè)月前
光子集成電路 (PIC) 是眾多當(dāng)前和下一代產(chǎn)品的關(guān)鍵支撐技術(shù)。PIC 將微電子領(lǐng)域常見的半導(dǎo)體材料和制造工藝與光的編碼、傳輸和檢測相結(jié)合，通過將帶寬與計(jì)算核心之間的距離拉近，改變了數(shù)據(jù)中心的通信方式，并加速了自動駕駛領(lǐng)域 LiDAR 和未來信息處理領(lǐng)域量子計(jì)算等新興應(yīng)用的發(fā)展。
電子和光子之間的連接是通過能夠在光信道上編碼電信號，并將光轉(zhuǎn)換回電信號來恢復(fù)信息的器件實(shí)現(xiàn)的。在 PIC 中，電光調(diào)制器和光電探測器是實(shí)現(xiàn)這些轉(zhuǎn)換的基本光電元件
邁克爾遜干涉儀和光學(xué)計(jì)量學(xué)6個(gè)月前
自從1887年著名的邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)開始，邁克爾遜干涉儀及其變種在光學(xué)研究中發(fā)揮著重要作用。如今，人們?nèi)匀唤?jīng)?？梢哉业揭赃~克爾遜干涉儀形式配置的光學(xué)系統(tǒng)，例如相干掃描干涉儀。借助VirtualLab Fusion，尤其是在非序列場追跡的幫助下，我們展示了邁克爾遜白光干涉儀的工作原理，并展示了其如何應(yīng)用于光學(xué)計(jì)量學(xué)。
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