液晶器件仿真
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時間：2026-01-04
液晶器件仿真的視頻教程
Ansys Lumerical光子集成電路PIC 有源器件的設計與仿真
在加入Lumerical之前，他有多年光學仿真工具使用經(jīng)驗，并曾于日本IBM研究所、臺灣TSMC、荷蘭ASML等公司之研發(fā)部門任職，從事硅光元件、微影制程、以及極紫外光刻機開發(fā)。 更多視頻請關(guān)注Ansys數(shù)字資源中心：https://v.ansys.com.cn
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基于icepack的電子元器件散熱仿真分析與優(yōu)化，視頻免費無聲音，操作細致，提供附件（需購買）練習。
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液晶器件仿真的實例教程
與傳統(tǒng)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(xiàn)，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(shù)（例如光配向）控制液晶分子的取向，可實現(xiàn)復雜相位波前，在數(shù)個微米厚度內(nèi)高效操控光場，實現(xiàn)各種光學功能，不涉及顯影、蝕刻等結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移步驟，被譽為第四代光學技術(shù)。
圖1 （a）傳統(tǒng)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(nèi)0-180°指向變化，來控制光學波前0-2π相位變化，從而實現(xiàn)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 Lumerical作為業(yè)界領(lǐng)先的光子學解決方案，擁有完善的Component Level及Circuit Level仿真能力。FDTD被譽為微納光子器件仿真的黃金標準；MODE是面向平面光波導類器件開發(fā)的瑞士軍刀；CHARGE求解載流子的漂移擴散方程和泊松方程，能夠精確模擬半導體器件中的電學特性；HEAT則專注于器件熱效應的分析，能夠準確計算電致發(fā)熱或光吸收引起的溫升；INTERCONNECT作為線路級仿真工具，可對整個光子集成電路系統(tǒng)進行時域及頻域分析。
該內(nèi)容涵蓋FDTD、MODE、CHARGE、HEAT、INTERCONNECT五大仿真工具，內(nèi)容覆蓋基礎原理講解到復雜器件設計。無源環(huán)節(jié)不僅包括功率分束器、起偏器、偏振旋轉(zhuǎn)分束器、濾波器等多種無源光子器件，還包含常用的逆向設計算法，適用于硅基、鈮酸鋰等多種材料體系，可有效助力學員掌握無源光子器件設計技能。有源環(huán)節(jié)不僅包括電相移器、微環(huán)調(diào)制器、馬赫曾德行波調(diào)制器、垂直光電探測器、熱調(diào)諧波導等多種有源光子器件，還包含波分復用、PAM4收發(fā)等完整的PIC系統(tǒng)，可大大提升學員設計復雜光子集成電路系統(tǒng)的能力。
展開 三維CAD環(huán)境
CAD環(huán)境和可參數(shù)化仿真物件有助千快速構(gòu)建二維或三維模型，自定義任意表面和立體形貌，用戶還可以從標準CAD和IC版圖工具中導入幾何結(jié)構(gòu)。
多系數(shù)材料模型
使用多系數(shù)材料模型在寬波長范圍內(nèi)準確描述真實材料的特性，根據(jù)測量數(shù)據(jù)自動生成材料模型，或自行定義函數(shù)描述材料特性。高級共型網(wǎng)格技術(shù)可以兼容色散材料和高折射率對比的材料，讓用戶可以在使用粗網(wǎng)格時，彷真結(jié)果仍具有高準確度。
Ansys Lumerical FDTD的主要應用
CMOS圖像傳感器
OLED和液晶顯示
表面計量
表面等離激元
石墨烯器件
太陽能電池
集成光子器件
超材料、超表面
衍射光學和光子晶體
Ansys光學軟件產(chǎn)品推薦
ZEMAX
Ansys Zemax是一套綜合性的光學設計軟件，它提供先進的、且符合工業(yè)標準的分析、優(yōu)化、公差分析功能，能夠快速準確的完成光學成像及照明設計。
SPEOS
Speos是Ansys公司開發(fā)的專業(yè)用于光學設計、環(huán)境與視覺模擬系統(tǒng)、成像應用的光學仿真軟件,已經(jīng)廣泛用于航空,航天,軍工，汽車，軌道交通、通用照明等領(lǐng)域，也可依據(jù)人眼視覺特征和材料真實光學屬性進行的場景仿真。Ansys Speos光學仿真軟件基于可視化產(chǎn)品三維模型，直接采用數(shù)字樣機，使用虛擬環(huán)境仿真平臺，進行視覺功效虛擬分析和人因環(huán)境評估，在產(chǎn)品設計階段對的方案可行性進行驗證，在設計前期發(fā)現(xiàn)、反饋和處理問題，使光學設計以高效率、超同步、易優(yōu)化的工作實現(xiàn)可靠的產(chǎn)品解決方案。
Lumerical
Lumerical是Ansys公司開發(fā)的用于微納光子器件、芯片及系統(tǒng)的設計仿真軟件，融合了FDTD、EME等求解器，對微納結(jié)構(gòu)及其器件進行設計仿真分析。
展開 步驟1：初步測試
本步驟的主要目的是確保仿真被正確設置，并驗證圓偏振器在正入射時的抗反射性能。通過腳本可以繪制圓偏振片在正入射時的反射光譜，選擇波片的厚度以使目標波長為0.55μm時的反射最小，圖3中可以得到證實。反射光譜中的小波紋可以歸因于多層膜的法布里-珀羅共振。
圖 3
步驟2：角度掃描
在該步驟中，通過掃描入射角（θ和φ）來表征圓偏振器的反射特性，在幾何光學工具（如 Ansys SPEOS）中根據(jù)視角進一步評估顯示器的性能時很有用。腳本將通過旋轉(zhuǎn)介電常數(shù)張量掃描入射角（phi），然后給出作為波長和角度（θ和phi）函數(shù)的反射率。
圖 4
通過查看 Visualizer 工具可以查看 R_ave 的極坐標圖像，即 Rs 和 Rp 的平均值。我們可以發(fā)現(xiàn)，入射角θ越大反射越高，這意味著抗反射膜層在入射角越大時就會失效。
接下來，參考論文[1]，我們研究了兩種不同的各向異性薄膜：
圖 5
Nz是各向異性材料薄膜的關(guān)鍵參數(shù)之一，其定義為（nx-Nz）/（nx-ny）。掃描了Nz從1.5到0.5的結(jié)果，從上圖中，我們可以發(fā)現(xiàn) Nz=0.5 可以在所有入射角下實現(xiàn)更好的抗反射性能，這與論文[1]一致。
參考文獻：
1.
展開 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(jié)構(gòu)
使用光波導組件及其靈活的區(qū)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(xiàn)實和混合現(xiàn)實(AR&MR)領(lǐng)域新技術(shù)的出現(xiàn)，使光學光波導越來越受歡迎。為了對此類結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)以及內(nèi)外耦合器的不同區(qū)域。再加上它的非順序模擬引擎，結(jié)合了所有關(guān)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。
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引言
本文演示了一種將Synopsys OptoCompiler中開發(fā)的無源光子器件版圖導入Lumerical產(chǎn)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。
TechWiz Polar是TechWiz LCD 1D的一個可選模塊
TechWiz Polar根據(jù)各層的相位延遲對偏振狀態(tài)進行優(yōu)化設計和分析。從需要了解偏振光的用戶到顯示行業(yè)的專業(yè)人士，使用這款軟件都能有很大的幫助
1. 堆棧結(jié)構(gòu)
堆棧層及層信息
2. 創(chuàng)建材料
在TechWiz DB中創(chuàng)建1/4波片
3. 結(jié)構(gòu)創(chuàng)建
1.1創(chuàng)建一個新的項目文件
對于IPS、FFS等結(jié)構(gòu)來說，其像素電極和公共電極在同一平面，因此不能用TechWiz LCD 1D軟件來仿真，需要至少能進行2維模擬的軟件，本案例使用TechWiz LCD 2D來模擬一下單疇IPS結(jié)構(gòu)。
1. 建模任務
1.1 模擬條件
模擬區(qū)域：0~10um
邊界條件：Periodic
偏移角度：0°
單位長度：0.5um
1.2堆棧結(jié)構(gòu)
2. 建模過程
1. 建模任務
堆棧結(jié)構(gòu)
2. 建模過程
2.1使用TechWiz Layout繪制各層掩模版平面圖
2.2創(chuàng)建堆棧結(jié)構(gòu)，并生成3D結(jié)構(gòu)
2.3 使用TechWiz LCD 3D進行各項參數(shù)計算
3. 結(jié)果分析
3.1 LC分析
液晶指向矢分布（Voltage=7v）
二維截面提取
3.2光學分析
透過率圖
1. 建模任務
堆棧結(jié)構(gòu)
2. 建模過程
2.1使用TechWiz Layout繪制各層掩模版平面圖
2.2創(chuàng)建堆棧結(jié)構(gòu)，并生成3D結(jié)構(gòu)
2.3 使用TechWiz LCD 3D進行各項參數(shù)計算
3. 結(jié)果分析
3.1 LC分析
液晶指向矢分布（*.dat文件）
二維截面提取
3.2光學分析
透過率圖（5.5v
Mura是什么？簡單來說mura是指顯示器亮度不均勻，造成各種痕跡的現(xiàn)象。Mura產(chǎn)生的主要原因就是視覺上對于感受到的光源有不同的頻率響應而感受到顏色的差異。造成mura現(xiàn)象的原因有很多種，本案例使用TechWiz LCD 1D仿真一種彩虹紋，在常規(guī)四疇VA結(jié)構(gòu)下加入高延遲膜后，模擬其彩虹mura的現(xiàn)象。
1. 建模任務
1.1堆棧結(jié)構(gòu)
2. 建模過程
2.1創(chuàng)建材料
1. 建模任務
1.1 模擬條件
模擬區(qū)域：0~10
邊界條件：Periodic
偏移角度：12°（Domain A），-12°（Domain B）
單位長度：0.5
1.2堆棧結(jié)構(gòu)
2. 建模過程
2.1設置模擬條件
2.2創(chuàng)建堆棧結(jié)構(gòu)，修改各層參數(shù)
2.3創(chuàng)建掩膜并生成多疇結(jié)構(gòu)
3. 結(jié)果分析
3.1 指向矢分布和透過率
最簡單的減反射膜結(jié)構(gòu)是單層減反射膜，其主要是針對特定波長的減反射，主要原理是光波的干涉相消/相長。對于單層減反射膜來說，理想厚度為1/4入射光波長。在本例中，假設了一個折射率為1.5的基板，并且空氣折射率為1
1. 建模任務
1.1基本結(jié)構(gòu)
2. 建模過程
2.1創(chuàng)建材料（TechWiz DB）
2.2創(chuàng)建堆棧結(jié)構(gòu)（TechWiz LCD 1D）
3.查看結(jié)果
本期是Lumerical系列中無源器件專題-端面耦合器第三期。本期主要展示從設計端面耦合器，到參數(shù)優(yōu)化以實現(xiàn)模式的最大耦合效率，最后利用端面耦合器的S參數(shù)在INTERCONNECT中生成緊湊模型的整個流程。
引言
集成光子芯片中光的輸入和輸出有兩種常用方法，即通過光柵耦合器或端面耦合器。雖然光柵耦合器為從芯片上的任何位置輸入和輸出光提供了一種非破壞性解決方案，但由于光柵耦合器的色散工作原理
“Ansys 2025 全球仿真大會”仿真應用大賽優(yōu)秀作品展示
本屆仿真應用大賽最終評選出 30 篇 TOP 優(yōu)秀作品，分別榮獲一、二、三等獎及行業(yè)最佳實踐獎。近 200 位來自汽車、半導體、高科技、能源等行業(yè)的仿真精英參賽，他們以前沿思維與創(chuàng)新實踐，充分展現(xiàn)了仿真技術(shù)的無限潛能。我們將陸續(xù)為大家分享獲獎佳作，帶您一同領(lǐng)略仿真賦能創(chuàng)新的非凡力量，希望用戶能從中汲取靈感
