微納光子學
關注創建者：匿名 創建時間：2025-12-27
微納光子學的實例教程
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 在微納光子學領域中，相關研究往往與超表面（meta-surfaces）這一概念聯系在一起 [1,2]。超表面是由微納尺度的結構單元鋪成的二維平面，每個單元對入射到其位置的光進行調制，所有結構加起來實現對光的總調制。當前幾乎所有常用的光學元件，例如透鏡、偏振鏡、濾光片，都能被體積更小的超表面實現。
如何獲得一片超表面？這需要經過兩個步驟：設計與加工。對于設計，人們根據擬實現的超表面，對每個結構單元進行參數化，即確定在什么空間位置對反射或透射光的幅度、相位或極化進行怎樣的改變。而后利用仿真軟件，通過掃描結構的幾何與電磁參數，設計出結構單元。雖然設計過程以數值仿真為主，但指導與理解設計依賴于微納光子學中的物理概念，包括諧振、幾何相位、傳播相位等等。
設計完成后，人們對超表面進行加工。超表面結構單元尺寸通常有幾百納米，而細部尺寸可能僅有幾十納米。電子束光刻 (electron-beam lithography)具有高精度的優勢，是目前人們加工超表面的首選方法。然而電子束光刻受制于成本高、產量低的缺點，不能滿足以應用為主要目的，高產量加工的需求。因此，發展兼具納米精度、成本低、高產量的超表面加工技術是超表面從實驗室走向產品應用的核心關鍵。
論文導讀
有別于電子束光刻，納米壓印兼具低成本、高產量和高分辨率的優勢[3]。顧名思義，納米壓印通過機械“壓印”的方式將主模板的圖形轉移到另一媒介上，如同印章過程。
展開 Ansys光子求解器已通過認證，可與GF FotonixTM平臺結合使用，以助力用戶設計無源和有源光子器件、降低成本并提高光子芯片性能
主要亮點
GlobalFoundries認證了四款Ansys光子求解器，其中包括Ansys Lumerical FDTD?高級3D微納光子學仿真軟件和Ansys Lumerical MODE?光波導設計工具
其他獲得認證的求解器還包括Ansys Lumerical CHARGE?基于物理場的載流子傳輸求解器和Ansys Lumerical HEAT?基于物理場的熱傳輸求解器
這些認證有助于客戶為新一代光子集成電路（PIC）設計高性能光子組件，從而實現更快、更高效的數據通信技術，此類通信技術非常適合超大規模數據中心和物聯網（IoT）應用
Ansys與GlobalFoundries合作，目前四款Ansys光子求解器已通過認證，使工程師能夠在GF Fotonix平臺中以高保真度進行無源和有源光子器件仿真。Ansys與GlobalFoundries攜手，共同為客戶提供可靠的多物理場仿真解決方案，以解決一系列高容量芯片（包括生成式AI、自動駕駛汽車、超大規模數據中心通信和物聯網領域使用的芯片）的設計挑戰。
GF Fotonix是一款功能豐富且高度靈活的硅光子學平臺，也是業界率先可用于光子和電子器件單片集成的商用代工廠平臺，并提供光子學專用流程選項。光子器件包括有源器件（如馬赫-曾德爾和微環調制器以及鍺光電二極管）和無源組件（如分光器、多模干涉儀、移相器/相位旋轉器、錐形波導、彎曲波導和波分復用濾波器）。該平臺使設計人員能夠為其高速光通信系統應用開發定制解決方案，以滿足其高帶寬、低時延數據傳輸和低功耗要求。
展開 在過去的幾十年中，電子和光子學取得了長足的進步，顯著改進了數據處理技術，使我們的生活發生了翻天覆地的變化。
表面等離子體光子學描述了在金屬-電介質界面上對光信號進行納米級（十億分之一米）操作。受光子學的啟發，表面等離子體光子學利用了金屬納米結構的獨特屬性，使得在近原子尺度下傳輸光信號成為可能。
在同一半導體芯片上集成傳統的光子學和電子學與表面等離子體光子學具有顯著的優勢，可創造出超高速的計算機芯片和光通信器件，并為超靈敏傳感器和顯微鏡提供動力。
什么是表面等離子體？
當加州理工學院的Atwater教授于2007年首次提出表面等離子體光子學概念時，他預測該技術將催生一系列應用，包括從超靈敏的生物傳感到隱身斗篷。
無論何種應用，表面等離子體光子學都依賴于在金屬-電介質界面操作電磁場和自由電子之間的相互作用——電介質是一種可在電場的作用下極化的絕緣體（如玻璃或空氣）。控制金屬電氣和光學屬性的自由電子會在電磁場（即光）中振蕩，并產生一種被稱為表面等離子體的現象。
什么是表面等離子體共振？
在納米級，自由電子被限制在微小的空間區域里，從而限制了其振動的頻率范圍。當與光相互作用時，自由電子會吸收與其振動頻率相匹配的光（同時反射其余部分的光），這意味著它們處于共振狀態，因此成為“表面等離子體共振”（SPR）。SPR可應用于納米棒、納米線、納米光子和其他形式的納米技術。
表面等離子體光子學的技術驅動因素
自首批基于芯片的半導體問世以來，我們這個數據驅動型社會已取得長足發展，并生產出了越來越小、越來越快的處理器。然而，器件尺寸不斷縮小給其自身帶來了挑戰，同時也使其受到熱問題和處理速度的限制。
光學互連，憑借其大帶寬（數據傳輸容量），提供了一種前景光明的解決方案。
展開 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
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，能被廣泛應用于微納光電子器件、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。
Ansys Lumerical Stack
STACK 是分析多層膜的最佳仿真工具，和求解麥克斯韋方程相比能迅速仿真如抗反射膜、OLED、VCSEL等組件的光學特性。能精準描述多層膜的波動光學特性，如干涉以及微腔效應，并支持平面波和偶極子光源。STACK 支持腳本運算，通過API能和Python 或Matlab 互操作。
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微納光子學的最新內容
在過去的幾十年中，電子和光子學取得了長足的進步，顯著改進了數據處理技術，使我們的生活發生了翻天覆地的變化。
表面等離子體光子學描述了在金屬-電介質界面上對光信號進行納米級（十億分之一米）操作。受光子學的啟發，表面等離子體光子學利用了金屬納米結構的獨特屬性，使得在近原子尺度下傳輸光信號成為可能。
在同一半導體芯片上集成傳統的光子學和電子學與表面等離子體光子學具有顯著的優勢，可創造出超高速的計算機芯片和光通信器件
<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
寫在前面
仿真、模擬、有限元分析、多物理場……這些術語是不是早已成為每位仿真人的“日常”？大家是否知曉其背后的技術原理和演進趨勢，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
Ansys光子求解器已通過認證，可與GF FotonixTM平臺結合使用，以助力用戶設計無源和有源光子器件、降低成本并提高光子芯片性能
主要亮點
GlobalFoundries認證了四款Ansys光子求解器，其中包括Ansys Lumerical FDTD?高級3D微納光子學仿真軟件和Ansys Lumerical MODE?光波導設計工具
其他獲得認證的求解器還包括Ansys
1)干涉儀
2)顯微鏡
3)單色儀
4)光譜儀
干涉系統光線追跡示意圖以及干涉圖樣展示
3.微納光子學
VirtualLab Fusion 中集成了傅里葉模態法，可以對周期性的結構，例如任意結構的光柵進行精確的模擬，獲得相應的近場、衍射級次以及衍射效應。同時能夠對光柵進行優化，以獲得所需要光柵結構參數并集成到整個光學系統中進行分析。
<p>當前，Ansys 2024 R2版本已正式發布，其最大亮點便是通過幫助客戶超越單一物理場仿真的限制，獲得對當今復雜產品性能的多維度洞察，進而重新定義產品設計的邊界。</p><p>Ansys 2024 R2新版本的增強功能更是<strong>專注于縮短運行時間，擴展容量，實現數字化轉型和提供硬件靈活性。</strong>這也使得Ansys多物理場仿真比以往更易于訪問，且功能更強大。</p><p>
長期從事生物光子學和微納光子學的研究，主要研究興趣包括光鑷與光學操控、光控生物微馬達與微納機器人、納米等離激元與生物分子探測等。任APL Photonics、中國激光等期刊青年編委。
雖然設計過程以數值仿真為主，但指導與理解設計依賴于微納光子學中的物理概念，包括諧振、幾何相位、傳播相位等等。
設計完成后，人們對超表面進行加工。超表面結構單元尺寸通常有幾百納米，而細部尺寸可能僅有幾十納米。電子束光刻 (electron-beam lithography)具有高精度的優勢，是目前人們加工超表面的首選方法。
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。
擅長領域：微納光子學、拓撲光子學、非厄米光子學、光芯片、電磁超材料器件等。
