光子學與光學器件的案例
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 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
與傳統折射/反射光學元件不同，這種元件的設計理念通過光學幾何相位或PB相位（Pancharatnam–Berry phase）來實現，即液晶分子的二維空間有序排布（圖2）。液晶材料是一種具有單軸光學各向異性的材料，具有相對較高的雙折射率（Δn≈0.2），通過高分辨圖案化液晶配向技術（例如光配向）控制液晶分子的取向，可實現復雜相位波前，在數個微米厚度內高效操控光場，實現各種光學功能，不涉及顯影、蝕刻等結構轉移步驟，被譽為第四代光學技術。
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。
展開 Ansys 2024 R2：光學與光子學仿真新功能介紹【9月24日直播】
</p><p>為幫助大家更好的了解Ansys 2024 R2新版本中光學仿真功能變化，<strong>9月24日</strong>，Ansys系列網絡研討會推出<strong>「Ansys 2024 R2：Ansys 光學與光子學仿真新功能介紹」</strong>，為大家詳細介紹Ansys 2024 R2光學產品新功能：</p><ul><li>在Speos新版本中增強了Zemax和Speos的簡化數據交換以及Speos中基于序列的路徑檢測，進而考慮到了雜散光對系統性能的實際影響，同時也增強了光導設計和實時預覽；</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際結果的影響；</li><li>在Lumerical新版本中通過使用行業領先的布局工具增強工作流程，實現光子集成電路的現實世界設計，同時增強了多尺寸、多物理場仿真工具之間工作流程。</li></ul><p class="ql-align-center">獲取更多精彩內容，歡迎大家報名參會！</p><p><img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/sJ5jnYn8SicedqJt6z63Gb6sEwXO3hGpT5SoGnMl5mPLn9kL3klT6icicJ72OI5UoG2YB7Ppp6dGwDzwlWIIjXWcw/640?
展開 2026 R1 | Ansys光學與光子學仿真專題網絡研討會上線（共9場）
<p>Ansys光學與光子學解決方案提供功能強大的設計、優化和驗證仿真軟件，可幫助設計師更快地開發出卓越的光學產品，同時提升產品的性能、可靠性和良率。在最新發布的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 之間強大的光學設計交換 (ODX) 以及實用的 NEST 容差，推動了光學和光子工程的發展；Synopsys OptoCompiler與Ansys Lumerical 集成實現了無縫 PIC 建模、精確的系統仿真以及高效的跨工具協作，以獲得高保真度結果。</p><p>在Ansys應用類系列網絡研討會中，光學系列專題也已上線，圍繞 Lumerical、Zemax、Speos 三大核心產品，全年9場在線技術分享，涵蓋 AI 驅動的高速電光仿真、硅光芯片、光機系統、成像與顯示應用等主題，歡迎大家報名參會！
展開 
從折剪紙藝術到納米尺度光學器件，MIT聯手中國科學家集成3D光學器件
這些納米尺度光學器件可以用來構建更復雜的光學通訊、傳感、計算和生物醫藥技術芯片。
例如，葡萄糖分子有左旋和右旋 2 種類型，具有不同的光特性。因此，可以利用這種特性，用納米光學極化傳感器構建更小，更高效的葡萄糖分子感測器。
此外，通過光學極化技術，可以讓光纖通信實現極化復用，提高光纖容量，而利用納米光學器件可以構造出更高效的光纖通信系統。
什么是光學計算？如何在 COMSOL 中分析光學計算器件
一個光學 n×m 矩陣乘法裝置由兩個酉矩陣乘法核心和一個衰減器陣列組成。
總之，我們擁有構建用于一般 n×m 矩陣乘法的光學系統所需的所有要素。文末將提供一個 n×n 矩陣乘法系統的建模示例鏈接。該模型可用作構建更復雜的 n×m 矩陣的靈感。
結束語
在這篇文章中，我們為您展示了任何 n×m 矩陣都可以分解為多個 2×2 酉子矩陣和一個對角矩陣的乘積。這樣就能夠使用一系列馬赫-曾德爾調制器構建用于一般矩陣乘法的光網絡。另外，我們還介紹了使用集成低損耗硅光子進行光學計算的優勢。
未來的手機和電腦會由光學或光子處理器驅動嗎？這有待觀察，沿途還有許多技術難關需要攻克。可以肯定的是，多物理場仿真是復雜光學計算系統設計和優化的重要組成部分。如本文案例所示，COMSOL Multiphysics 中的波束包絡法功能特別適用于模擬時間快速和存儲效率良好的大型光學模型。它還能夠模擬整個光學系統，這在考慮其它物理效應時至關重要，例如不均勻的溫度梯度或機械變形。
本文來自：COMSOL博客
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 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 3d光學輪廓儀應用于測量超光滑透明微光學器件
微光學器件是光學器件的重要分支，為光學通信、光傳感、光計算等領域的發展提供重要支撐。微光學器件具有尺寸小、功耗低、低成本等優勢，可以于電子器件集成，實現更高效的數據傳輸和信號處理。未來，隨著微納加工技術的進一步發展，微光學器件的功能將繼續擴展，應用范圍將進一步拓寬。同時，微光學器件也面臨著制備工藝、材料性能、器件可靠性等方面的挑戰，需要進一步的研究和改進。
微光學器件是指尺寸在微米到毫米級別的光學元件，其尺寸比傳統光學器件小很多。微光學器件利用了微納加工技術，將光學器件的功能集成到微米尺寸的芯片中，具有小型化、集成化、高效率、低成本等特點。微光學器件同時具備納米尺度的輪廓起伏變化和超光滑且透明的特點，該特點導致的測量需求，3d光學輪廓儀(白光干涉儀)能滿足。
3d光學輪廓儀通過利用白光的干涉和衍射現象，能夠對微小的表面高度差異進行精確測量，并得出精準的尺寸和形態數據。
對于超光滑透明微光學器件的測量來說，3d光學輪廓儀不僅具備高精度和高分辨率的特點，還能夠快速、無損地獲得物體的三維形貌信息，所以白光干涉儀有以下幾個重要的特點和優勢：
1、高精度：3d光學輪廓儀能夠實現納米級別的測量精度，可以準確檢測器件表面的微小高度差異。這對于一些要求非常高的器件尺寸和形貌測量非常重要。
2、高分辨率：3d光學輪廓儀具有很高的空間分辨率，可以捕捉到微小的表面變化。它可以清晰地顯示出微光學器件表面的各種細微紋理和形貌特征，為后續的分析和優化提供了有力的支持。
3、快速非接觸：與傳統的測量方法相比，3d光學輪廓儀無需直接接觸被測對象，避免了對器件的破壞和變形。同時，它的測量速度很快，可以在短時間內完成大量數據的采集和分析。
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。
展開 6/24 Ansys Lumerical光子集成電路PIC 有源器件的設計與仿真
Ansys Lumerical 為設計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。本次培訓將以PIC有源器件設計作為范例，針對Multiphysics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。
在光源與光學器件研發中的應用——OAS光學分析軟件
5.雜散光分析：提高光學品質
雜散光是光源與光學器件研發中必須重點關注的問題之一。OAS 光學分析軟件提供了強大的雜散光分析工具，能夠幫助研發人員快速識別并優化光學系統中的雜散光問題。通過區域分析、光線路徑分析等工具，研發人員可以清晰地看到雜散光的來源和傳播路徑，從而采取有效的措施加以抑制或消除。
6.多場景適應：增強穩定性
OAS 光學分析軟件支持多種光源和觀察條件的設置，使得研發人員可以在不同場景下對光源與光學器件進行仿真分析。這有助于評估產品在不同應用環境中的適應性和穩定性，這種廣泛的適用性為產品的設計優化提供了豐富的數據支持和決策依據，為產品的設計與優化提供有力支撐。
7.定制擴展：滿足特殊需求
OAS 光學分析軟件還支持用戶自定義擴展功能，允許研發人員根據自己的需求開發特定的工具和算法。這種靈活性使得OAS能夠滿足各種復雜和特殊的光學設計需求，為光源與光學器件的研發提供了更多的可能性。
OAS 光學分析軟件在光源與光學器件研發中的應用極為廣泛且深入。其強大的功能體系，包括高精度建模、光線追跡、優化工具、集成設計、雜散光分析、多條件支持以及用戶自定義擴展等，為設計師提供了一站式的解決方案，使其能夠從容應對各種復雜的光學設計難題，創造出更加卓越、高效的光學產品。
展開 Lumerical案例 | 使用Synopsys OptoCompiler和Lumerical工具進行光子器件版圖繪制和緊湊模型仿真
引言
本文演示了一種將Synopsys OptoCompiler中開發的無源光子器件版圖導入Lumerical產品進行光路仿真的工作流程。該工作流程利用Ansys Lumerical MODE中的EME（特征模擴展）求解器進行光學仿真，利用Ansys Lumerical CML Compiler生成緊湊模型，并利用Ansys Lumerical INTERCONNECT進行光子電路設計和仿真。
此工作流程僅使用Synopsys產品即可提供一套內部解決方案，以應對光子集成電路設計中的復雜挑戰。在光子集成電路設計中，通常需要使用不同的工具來處理版圖設計、器件仿真和線路仿真。使用此工作流程，您可以在OptoCompiler中構建器件，使用Lumerical器件設計工具運行多物理場仿真，并利用CML Compiler構建用于INTERCONNECT線路仿真的模型，從而在版圖和設計之間架起一座強大的橋梁。
本文以OptoCompiler reference optical SOI（絕緣體上硅）PDK（工藝開發套件）中的無源1x2MMI（多模干涉儀）光子器件為例，展示了該工作流程。當然，您也可以根據具體應用場景，將此工作流程調整為使用您選擇的自定義無源光子器件和PDK。
所需許可證
Synopsys OptoCompiler license
Ansys Lumerical MODE license
Ansys Lumerical CML Compiler license
Ansys Lumerical INTERCONNECT license
壓縮包內容
本文附帶一個包含示例1x2MMI的軟件包，該示例來自OptoCompiler reference optical SOI PDK。
展開 光學及硅光子仿真推動汽車行業的技術發展
本文原刊登于Ansys Blog：《Optics & Photonics Industry Insights: Automotive》
作者：Sanjay Gangadhara | Ansys 光學高級項目總監
筆者有幸參加了2022年由美國光學學會（Optica）和車載光學聯盟（COBO）聯合舉辦的峰會，主題是共封裝光學（CPO, co-packaged optics）和可插拔光學。本次會議重點介紹了超大規模云提供商（如谷歌、微軟和Meta）所需的光學技術，旨在支持數據中心不斷增長的帶寬和性能需求。
現場聆聽行業專家討論CPO與可插拔光學的優勢是非常有趣的。CPO在最大限度降低功耗（新一代數據中心的關鍵需求）方面具有強大的優勢，而可插拔光學是一種久經驗證的技術，并且仍有進步空間。實際上，在為數不多的一些情況下，許多公司在開發可插拔光學解決方案時采用的技術與其CPO解決方案相同。
會議期間分享了一個有趣的假設，至少在近期CPO可能會在新興技術領域找到更多機會，而非數據中心。這是因為CPO在其他應用實現商業化之前，超大規模云提供商可能不愿投資于共封裝光學所需的研發，而適合CPO的應用之一是汽車激光雷達。
許多人認為，激光雷達系統對于自動駕駛汽車從當前的自動化水平（L2級以上，高級部分自動化）發展到預期的L4級（高度自動化）和L5級（完全自動化）至關重要。雖然激光雷達的能力已在市場上被成功證明，但在縮小激光雷達系統的尺寸，降低成本的同時提高性能、可靠性與安全性方面仍存在挑戰。業內已經采用固態技術作為應對這些挑戰的第一步，但越來越多的長期解決方案傾向于使用硅光子技術和共封裝光學。
展開 一期一會 | 光線追跡在光學和光子組件設計中的應用
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。
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