光電子學與光子器件的案例
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 案例分享 | 光電子集成電路仿真工具助力提高光子芯片可制造性
Analog Photonics的PDK器件庫率先在Lumerical的INTERCONNECT中支持統計學模型，這些光子模型基于器件的晶圓級測量數據，包含了波導、無源器件和有源器件的工藝誤差統計數據。該PDK可極大幫助光子芯片設計企業的產品開發，并由AIM Photonics多項目晶圓（MPW）服務在NY CREATES Albany納米技術中心先進的300mm微電子芯片制造廠生產。
AP_SUNY PDK 4.0a 是采用Lumerical緊湊模型的300mm晶圓半導體光子工藝設計套件，4.0a版本是在過去四年里的第七次重大更新。它包含60多個經過驗證且業界最佳的調制器和探測器，兼容3種AIM技術（passive, full-build and passive interposer）。PDK器件庫中，所有對工藝敏感的器件均含有統計學模型，其中包括：5個波導、5個無源器件（C+L頻帶3端口分路器、C+L頻帶4端口分路器、C+L頻帶99/1 tap、C+L頻帶90/10 tap、O頻帶4端口分路器）和12個有源器件（3個馬赫澤德調制器、4個C+L頻帶可調諧微盤調制器、4個C+L頻帶可調諧濾波器和1個O頻帶微盤調制器）。
AP_SUNY PDK 4.0a基于此前的PDK v3.5b進行改進，增加了馬赫澤德調制器的摻雜分布統計變化模型。此外，還新增了四個器件，包含基于物理結構變化的統計分布。
Analog Photonics的PDK研發總監Erman Timurdogan博士表示：“采用v4.0a，用戶可以利用基于實驗數據的統計學模型，并且該組件庫可以支持Active Interposer。這些統計學模型可用于預測器件、系統或產品性能、良率和corner analysis，降低制造和測試的時間和費用。
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Analog Photonics的PDK器件庫率先在Lumerical的INTERCONNECT中支持統計學模型，這些光子模型基于器件的晶圓級測量數據，包含了波導、無源器件和有源器件的工藝誤差統計數據。該PDK可極大幫助光子芯片設計企業的產品開發，并由AIM Photonics多項目晶圓（MPW）服務在NY CREATES Albany納米技術中心先進的300mm微電子芯片制造廠生產。
AP_SUNY PDK 4.0a 是采用Lumerical緊湊模型的300mm晶圓半導體光子工藝設計套件，4.0a版本是在過去四年里的第七次重大更新。它包含60多個經過驗證且業界最佳的調制器和探測器，兼容3種AIM技術（passive, full-build and passive interposer）。PDK器件庫中，所有對工藝敏感的器件均含有統計學模型，其中包括：5個波導、5個無源器件（C+L頻帶3端口分路器、C+L頻帶4端口分路器、C+L頻帶99/1 tap、C+L頻帶90/10 tap、O頻帶4端口分路器）和12個有源器件（3個馬赫澤德調制器、4個C+L頻帶可調諧微盤調制器、4個C+L頻帶可調諧濾波器和1個O頻帶微盤調制器）。
AP_SUNY PDK 4.0a基于此前的PDK v3.5b進行改進，增加了馬赫澤德調制器的摻雜分布統計變化模型。此外，還新增了四個器件，包含基于物理結構變化的統計分布。
Analog Photonics的PDK研發總監Erman Timurdogan博士表示：“采用v4.0a，用戶可以利用基于實驗數據的統計學模型，并且該組件庫可以支持Active Interposer。這些統計學模型可用于預測器件、系統或產品性能、良率和corner analysis，降低制造和測試的時間和費用。
展開 智芯研報｜深度解析光電子器件行業
前言
根據全球半導體貿易協會的說法，半導體行業細分為：集成電路、光電子、分立器件以及傳感器。其中光電子器件占整個半導體產業的比例在7%-10%之間。光電子元器件是通信行業的核心，具有光信號發射、接受、信號處理功能。
從目前的產業發展周期來看，光電元器件行業依然處于行業早期，未來市場潛力巨大。光電子元器件可分為光電芯片、光器件和光模塊。
《AFM》：納米壓印光刻，光電子器件大規模實施重要里程碑！
納米粒子與光的相互作用使其具有驚人的電、光、磁等性質，具有廣泛的應用前景。
等離子體納米粒子可以將光以局域表面等離子激元的形式捕獲到亞波長的體積中，這種增強的模式體積對于光化學、光物理、生物傳感、光催化、光子器件、等離子體增強手性、非線性物理等等都是非常重要的。然而，降低由于電子的高散射率而造成的歐姆損耗，以及用成本低廉的方法大規模組裝等離子體積木，仍然是具有挑戰性的。
在這項研究中，來自萊布尼茨聚合物研究所等單位的研究人員報道了干涉光刻和納米壓印光刻在不同靶襯底上的融合，從透射電子顯微鏡柵格上的碳膜到無機和可摻雜的聚合物半導體。
這種簡單的膠體印刷技術在硅、玻璃、金薄膜和萘二酰亞胺聚合物上進行了演示，因此標志著光電子器件大規模實施的一個重要里程碑。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202105054
使用膠體墨水和IL生產的聚二甲基硅氧烷印章，一維等離子體光子晶體在厘米尺度上以75%的成品率打印
出來。另一方面，采用原子光滑、單晶、單分散的金(Au)納米膠體積木，在二氧化鈦(TiO
2
)平板波導上印刷一維
等離子體光柵，產生光譜線寬為10 nm的波導-等離子體偏振子模式。等離子體激元誘導的超熱電子通過雙端電流測量在引導條件下具有更高的光響應性。制備的具有Au/TiO
2
異質結的雜化結構增強了光催化過程，如利用產生的熱電子降解甲基橙(MO)染料分子。
總的來說，本文提出了一種廉價、快速、簡便和可重復的技術，該技術有可能使用膠體墨水作為壓印抗蝕劑，在大面積上以高分辨率打印所需的結構。該技術是IL和NIL的結合，可用于在不同的靶襯底上制備不同形貌、不同電導率和不同疏水性的一維金屬光子晶體。
展開 《自然?光子學》: 上海交大金賢敏團隊在光量子計算機集成化上取得進展
如圖三所示，在幾種不同層數結構中的最優到達情形中，出口波導都會聚了比大部分其他波導更高的光強，而經典情形是當出口節點達到最優時，所有節點的光強實現平均分配，因而最優到達效率非常低。
研究人員進一步分析了量子行走和經典隨機行走在六方粘合樹結構上的“快速到達”表現隨著結構層數的量化關系。量子最優到達效率始終比經典最優到達效率高一個多數量級。而且對于最優到達效率所對應的最優演化長度，量子算法和經典算法分別需要與粘合樹層數呈線性及平方關系的演化長度。也就是說，量子算法對于“快速到達”問題在更大的任務尺寸上具有更大的優勢。
圖三：結構復雜度不斷增大的量子“快速到達”實驗結果
金賢敏研究團隊通過理論創新、高精度的芯片制備、單光子級的注入和成像等一系列努力，最終首次在復雜六方粘合樹結構“快速到達”問題中成功實現量子加速優勢。光量子集成芯片中的實驗結果與理論結果在最優到達效率及最優演化長度兩方面都吻合的很好，這與研究團隊過去三年所發展的飛秒激光直寫制備三維光量子集成芯片的精準工藝是分不開的。
金賢敏研究團隊所發展的基于三維光子集成芯片的大規模量子演化系統，使得研發各種物理系統可擴展的專用光量子計算原型機成為可能。同時，這種粘合樹結構很容易讓人聯想到計算機科學中的二元樹或決策樹，若能將量子算法運用到計算機科學中的優化、管理、及信息搜尋等各種實際問題中去，有望極大地推動量子計算機的實際應用。還有望用來解決許多跨學科交叉的科學問題并衍生新興研究領域，比如與實驗室天文學模擬、量子人工智能[Physical Review Letters 120, 240501 (2018)]、量子拓撲光子學[arXiv:1810.01435 (2018)]、生物醫藥及成像等學科相互關聯的綜合性研究。
展開 基于第三代半導體材料的壓電電子學和壓電光電子學
圖六
（a） 單層MoS2壓電電子學器件
（b ）壓電電子學效應對單層MoS2的非對稱調制
（c） 壓電光電子學效應對光電流的調制機理
【成果七】壓電光子學：從基礎，到材料及應用
香港理工大學郝建華教授和日本產業技術綜合研究所徐超男教授（共同通訊）合作在MRS Bulletin上發表了題為“Piezophotonics: From fundamentals and materials to applications”的綜述論文。文章系統總結了壓電光子學效應的基本原理，材料的選擇到應用。壓電光子學是材料的壓電性質和光激發的耦合效應。金屬激活離子可以在這過程中扮演重要作用。首先作者介紹了壓電光子學的基本原理包括力致發光；其次介紹了有代表性材料的具體應用，譬如基于壓電光子學效應的磁場耦合多色發光等；最后文章對近年有代表性研究和工作進行了總結和介紹，為新型壓電光電子學器件，磁光學傳感，非破壞性環境監測，新型光源和顯示技術等領域的應用和發展提供重要參考和思路。(Hao, J., & Xu, C. (2018). Piezophotonics: From fundamentals and materials to applications. MRS Bulletin, 43(12), 965-969.)
圖七
（a）壓電光子學和磁致發光的耦合示意圖
（b）壓電光子學效應所用的金屬離子常用元素
（c） 壓電光子學效應發光的能級圖
（d）多場激發的發光示意圖
展開 Ansys | 什么是光電子學？
光電子學（optoelectronic或optronics）絕不僅僅是光子學的一個子領域，而是光學和電子學交叉領域的關鍵學科，推動著通信、成像、傳感和能源等領域的創新發展。盡管光電子學位于兩個物理領域的交叉地帶，但同時又具有其獨特的器件體系，主要涉及光的發射或探測。
就此而言，光電器件（optoelectronic devices）要么使用光信號并將其轉換為電輸出，要么采用電輸入并將其轉換為光信號。光電器件也可以歸類為能量轉
這類器件對于許多高科技行業都至關重要，包括汽車、軍事和國防、航空航天、能源、醫療、消費類電子和電信行業。
當今的一些主要光電組件包括：
光電二極管
激光二極管
發光二極管（LED）和micro-LED
光敏電阻
太陽能電池（光伏器件）
光纖電纜
光電晶體管
光電探測器
在這些行業中，光電器件廣泛應用于各種領域，包括：
攝像頭
醫療成像/醫療傳感器（內窺鏡等）
醫療診斷（心率監測器等）
激光雷達和其他汽車傳感器
顯示器
遠程制導系統
激光
日常電子產品，從智能手機和智能手表到LED照明、咖啡機和現代家用電器
光敏開關設備
激光打印機
“光電子學”與“電子學和光學”
傳統的半導體電子學和光學系統，使用電子來傳輸電磁信息信號。光電子學與傳統電子學有所不同，因為它還包含來自光的信息，涵蓋紫外線、可見光和紅外波長。
不同于對光進行被動調制的純光學系統（如反射鏡、透鏡和濾光片），光電器件會主動地轉換光信號和電信號，從而為攝像頭、光纖、激光和光電探測器等技術提供支持。這些器件能夠更直接地與穿過光學元件的光波的電磁場相互作用，例如與偏振相互作用。
展開 ：異型和同型異質結光電二極管中的壓電光電子學效應
【引言】
近年來，壓電光電子學效應廣泛被用于各類半導體光電器件的性能調制，包括：太陽能電池、發光二極管、光電二極管和光探測器等。然而，關于壓電光電子學效應在不同器件結構和材料體系的半導體光電器件中的調制作用機制研究還鮮見報道。更重要的是，壓電光電子學效應不僅會產生使器件性能增強的作用，還可能會產生使器件性能削弱的作用，極大地限制了壓電光電子學效應能夠達到的器件性能增強的最大幅度。
【成果簡介】
近日，在西安交通大學電子與信息工程學院微電子學院賀永寧教授和彭文博博士講師的指導下，潘子健和李芳沛等研究成員以異型和同型異質結光電二極管為研究對象，通過對比壓電光電子學效應在兩種異質結光電二極管器件中的性能調制作用，系統地研究了不同器件結構對壓電光電子學效應的影響。研究結果表明，壓電光電子學效應能使p-n異型異質結光電二極管器件的性能增強約150%，而僅能使n-n同型異質結光電二極管器件的性能增強約55%。通過系統地分析壓電電荷對兩種器件能帶結構的調制作用，發現：壓電光電子學效應在p-n異型異質結光電二極管器件中引入了兩種增強器件性能的正效應，而其在n-n同型異質結光電二極管器件中不僅引入了一種增強器件性能的正效應，還引入了兩種削弱器件性能的負效應，因此壓電光電子學效應對前者的性能增強作用更顯著。此外，有限元仿真結果表明壓電光電子學效應對p-p同型異質結光電二極管器件性能的調制作用與其對n-n同型異質結光電二極管器件性能的調制作用類似。
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