液晶器件仿真的案例
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 基于Lumerical掌握光電器件仿真的全流程設計，從基礎原理講解到復雜器件設計
Ansys Lumerical作為業界領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進行時域及頻域分析。
該內容涵蓋FDTD、MODE、CHARGE、HEAT、INTERCONNECT五大仿真工具，內容覆蓋基礎原理講解到復雜器件設計。無源環節不僅包括功率分束器、起偏器、偏振旋轉分束器、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。有源環節不僅包括電相移器、微環調制器、馬赫曾德行波調制器、垂直光電探測器、熱調諧波導等多種有源光子器件，還包含波分復用、PAM4收發等完整的PIC系統，可大大提升學員設計復雜光子集成電路系統的能力。
展開 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
三維CAD環境
CAD環境和可參數化仿真物件有助千快速構建二維或三維模型，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構。
多系數材料模型
使用多系數材料模型在寬波長范圍內準確描述真實材料的特性，根據測量數據自動生成材料模型，或自行定義函數描述材料特性。高級共型網格技術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格時，彷真結果仍具有高準確度。
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、且符合工業標準的分析、優化、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公司開發的專業用于光學設計、環境與視覺模擬系統、成像應用的光學仿真軟件,已經廣泛用于航空,航天,軍工，汽車，軌道交通、通用照明等領域，也可依據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品三維模型，直接采用數字樣機，使用虛擬環境仿真平臺，進行視覺功效虛擬分析和人因環境評估，在產品設計階段對的方案可行性進行驗證，在設計前期發現、反饋和處理問題，使光學設計以高效率、超同步、易優化的工作實現可靠的產品解決方案。
Lumerical
Lumerical是Ansys公司開發的用于微納光子器件、芯片及系統的設計仿真軟件，融合了FDTD、EME等求解器，對微納結構及其器件進行設計仿真分析。
展開 Ansys Icepak電子器件關鍵熱仿真流程及案例
部分器件有過熱的風險，我們協助提供需要進行熱導墊(Thermal Pad)的位置，此時，機構工程師需要協助在機構件上面改上Punch做散熱橋接之用；采用的設計參數將根據仿真結果作選用。
考慮電路圖。本模型電路圖除了做銅走線熱傳導及發熱之外，因設計的需求，部分區域會刻意打上銅線，提高周圍器件的散熱效果。
電路Trace圖
由于ID不得更改，為了讓成本最低，效果最好，需要最高校的利用風流做散熱，因此通過仿真數據對比，將部分ID孔制作成盲孔，按照設計思路引導冷風流經熱區最有效散熱，如下：
風路及ID開孔設置
仿真所獲的結果
5
總結
仿真獲得的結果可快速提供設計思路，通過大量的思考，包含成本及散熱的可行性，也包含準確性的對比，可以設計出一款最優化的產品。
文章來源：莎益博CAE仿真
展開 
AR&MR光波導器件的仿真研究
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。
光波導結構
使用光波導組件及其靈活的區域定義，可以在VirtualLab Fusion中設置帶有耦合光柵的光波導。
隨著增強現實和混合現實(AR&MR)領域新技術的出現，使光學光波導越來越受歡迎。為了對此類結構進行建模和設計，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構以及內外耦合器的不同區域。再加上它的非順序模擬引擎，結合了所有關鍵的物理效應，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。
展開 MEMS器件多物理場耦合仿真分析
編者按
作者在ANSYS Workbench平臺上，利用ANSYS Mechanical 和ANSYS ACT對MEMS器件（包括微鏡）進行仿真模擬，解決與MEMS器件相關的多場耦合和結構非線性問題。
微鏡是以單獨或陣列形式用于顯示器、便攜式投影儀及其他光學設備的MEMS器件。為了聚焦光線于一組微鏡，每個反射鏡須隨應用情況旋轉角度，調節反射鏡旋轉角度會涉及到側向偏移和扭轉兩種運動。
為解決這兩種運動引起的問題，Ozen Engineering用ANSYS Mechanical和ANSYS ACT開發了新的仿真過程，以改良MEMS微鏡，促進其廣泛應用。
挑戰
許多MEMS器件如開關、陀螺儀和微鏡都會經歷大轉動。這些器件中的開關通常是兩端受約束并發生側向偏移。
這兩種情況都會在有限元模擬中引入幾何非線性效應，但引入幾何非線性效應后會出現以下兩個主要現象：
大撓度
當單元方向因轉動而改變時，局部剛度會向整體轉換。單元應變產生明顯的面內應力（膜應力）時，面外剛度顯著改變。
有應力剛化的大撓度
大的膜應力（SX）引起的硬化響應。隨著垂直撓度的增加（UY），較大的膜應力（SX）導致剛化響應。
許多MEMS器件會同時表現出大撓度和應力剛化。在模擬過程中，如果不對這兩個現象進行適當的處理，求解的結果將會出現明顯偏差。
另一個影響因素被稱為初始應力。
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展開 使用 Ansys Lumerical STACK 仿真抗反射偏振器件
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現場公開課 | Icepak器件級建模與仿真專題
通過該課程你可掌握LED器件光功率和熱功率的計算；常規封裝芯片的Icepak參數化建模和SpaceClaim建模過程；封裝熱測試標準JEDEC JESD 51以及封裝熱模型Delphi和降階模型的提取。
Ansys Lumerical微納器件設計仿真軟件
產品概述
Lumerical是Ansys公司開發的用于微納光子器件、芯片及系統的設計仿真軟件。
主要模塊
應用領域
咨詢與訂購方式
聯系人：光研科技南京有限公司徐保平
手機號：15051861513
微信號：13627124798
MEMS器件多物理場耦合仿真分析
作者在ANSYS Workbench平臺上，利用ANSYS Mechanical 和ANSYS ACT對MEMS器件（包括微鏡）進行仿真模擬，解決了MEMS器件相關的多場耦合和結構非線性問題。
微鏡是以單獨或陣列形式用于顯示器、便攜式投影儀及其他光學設備的MEMS器件。為了聚焦光線于一組微鏡，每個反射鏡須隨應用情況旋轉角度，調節反射鏡旋轉角度會涉及到側向偏移和扭轉兩種運動。
為解決這兩種運動引起的問題，Ozen Engineering用ANSYS Mechanical和ANSYS ACT開發了新的仿真過程，以改良MEMS微鏡，促進其廣泛應用。
挑戰
許多MEMS器件如開關、陀螺儀和微鏡都會經歷大轉動。這些器件中的開關通常是兩端受約束并發生側向偏移。
這兩種情況都會在有限元模擬中引入幾何非線性效應，但引入幾何非線性效應后會出現以下兩個主要現象：
l 大撓度
當單元方向因轉動而改變時，局部剛度會向整體轉換。單元應變產生明顯的面內應力（膜應力）時，面外剛度顯著改變。
l 有應力剛化的大撓度
大的膜應力（SX）引起的硬化響應。隨著垂直撓度的增加（UY），較大的膜應力（SX）導致剛化響應。
許多MEMS器件會同時表現出大撓度和應力剛化。在模擬過程中，如果不對這兩個現象進行適當的處理，求解的結果將會出現明顯偏差。
另一個影響因素被稱為初始應力。其來自于MEMS制造過程，通常會在器件中留下明顯的殘余應力。殘余應力顯著影響器件在吸合電壓、特征頻率和偏轉方面的性能特征。因此我們可以為選定的有限元指定初始應力狀態，以模擬殘余應力。
展開 
Ansys Lumerical | 使用 STACK 仿真抗反射偏振器件
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）中根據視角進一步評估顯示器的性能時很有用。腳本將通過旋轉介電常數張量掃描入射角（phi），然后給出作為波長和角度（θ和phi）函數的反射率。
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。我們可以發現，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鍵參數之一，其定義為（nx-Nz）/（nx-ny）。掃描了Nz從1.5到0.5的結果，從上圖中，我們可以發現 Nz=0.5 可以在所有入射角下實現更好的抗反射性能，這與論文[1]一致。
參考文獻：
1.
展開 VirtualLab：AR&MR光波導器件的仿真研究
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Ansys Lumerical 光電器件設計流程
4. 光電器件設計實例:垂直光電探測器
5. 其他光電器件舉例
研討會信息
主題：Ansys Lumerical 的光電器件仿真
時間：2023年7月17日（15：00-16：00）
地點：騰訊會議（317-470-702）
主辦方：武漢宇熠科技有限公司
如您對本次研討會有興趣，可掃描下方二維碼報名（名額有限，額滿即止。）
（317-470-702）
另外，我們針對本次研討會創建了交流群，歡迎聯系工作人員申請進群！
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