光子學的案例
Ansys | 什么是表面等離子體光子學及其應用
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 一期一會 | 表面等離子體光子學詳解及其應用
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。
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。
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
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 延續摩爾定律的“新”方法：將光子學導入芯片
而首個項目將會是極端可擴展性光子學封裝（ Photonics in the Package for Extreme Scalability，PIPES），它將探索把光子學技術帶入芯片的技術。
此技術透過用光學元件取代電學元件，將可降低將數百個處理器連接在一起所需的工藝及能源需求，并實現大規模并行，將能有效支持數據密集型應用，如人工智慧等技術。且PIPES 還將致力于建立一個國內生態系統，令商業及國防們能不斷獲得先進技術的支援。
此項目首先關注的是先進集成電路封裝的高性能光學I/O 技術的發展，包括現場可編程閘門陣列、圖形處理單元及專用集成電路。其次，將研究新型器件技術和先進鏈路，以實現高度可擴展性及封裝 I/O 。但這種新型的系統架構及大型分布式并行計算的發展將可能具有上千個節點，極為復雜且非常難以管理。而為了解決這個問題，第三項重點將研發低損耗光學封裝方法，以實現高溝道密度和高端口數量，及可重構、低功耗的光學開關技術。
正在進行研究的光子學可能會作為改進我們現有工藝的手段。 CPU，GPU，FPGA和ASIC都依賴于更小的晶體管來以更低的功耗擠出更多的性能。啟用基于光的互連允許延遲取決于通過介質的光速而不是通過半導體的電流。但我們也應該看到，嵌入微電子系統的光子學理論已存在數十年，但尚未完全解決可行性問題。與傳統硅不同，光子器件目前不能很好地擴展以便于大規模生產。
當然DARPA 也強調，還是會著力在ERI 計劃中各個項目的聯系，并應用在先進衛星系統、大規模辨識系統以及網路安全等，掌握這些新興技術的潛在風險，并保證這些項目將有助于維持國家安全。
展開 
領先的光子學仿真工具Ansys Lumerical功能詳解：分析多層膜的優秀仿真工具
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、 大限度地降低物理原型制作成本并縮短產品上市時間。
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。
規格概要
· 支持平面波和偶極子
· 支持大面積多層膜設計
· 考慮微腔和干涉效應
STACK的主要應用
· OLED
· VCSEL
· 抗反射膜
．微腔
· 多層薄膜
主要特點
STACK分析求解器
STACK求解器比直接仿真Maxwell方程的速度更快。它適用千薄膜應用的快速原型設計，并且可使用平面波和偶極 子光源照明。求解器考慮干涉和微腔效應。
通過腳本進行互操作
通過Lumerical腳本語言、自動化API以及Python和 MATLABAPI實現互操作性。
展開 Ansys Lumerical光子學仿真工具介紹
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。
展開 . | Sagnac干涉在集成光子學中的應用
圖1：典型光學干涉器的基本結構
圖2：Sagnac干涉器的發明者法國物理學家Georges Sagnac (1869 ? 1928) 以及基于Sagnac干涉的光學器件的發展歷程
其次，論文將集成Sagnac干涉器作為集成光子器件中的基本結構單元，和其他基本結構單元如馬赫曾德干涉器，環形諧振器，以及光子晶體諧振腔，布拉格光柵進行了特性對比(圖3-5)，并對集成Sagnac干涉器件的仿真建模方法進行了具體介紹。
圖3：集成光子器件中的基本結構單元 (a) 定向耦合器， 以及以其為基礎衍生的二級結構單元包括 (b) 馬赫曾德干涉器，(c) 環形諧振器，和 (d) Sagnac 干涉器
圖4：集成馬赫曾德干涉器，分插復用型環形諧振器，以及級聯Sagnac干涉器的幅頻響應對比
圖5：集成一維光子晶體諧振腔，布拉格光柵，以及級聯Sagnac干涉器的幅頻響應對比
然后，論文對Sagnac干涉器件在集成光子學中的具體應用進行了分類總結，包括集成反射鏡，光陀螺儀(圖6)，光濾波器(圖7)，頻域交織器，量子物理現象的光學類似(圖8)，以及其他應用。其中光陀螺儀作為Sagnac干涉的典型應用，又具體分為基于波導干涉的光陀螺儀，基于無源諧振腔的光陀螺儀，和基于布里淵環形激光器的光陀螺儀。
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 《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
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。今年10月初，金賢敏團隊剛剛發布了首款專用光量子計算軟件FeynmanPAQS [arXiv: 1810.02289 (2018)]，也是旨在讓量子計算面向更加廣泛的科研學者、工程師和熱心科普的群體，力圖促進更多專用光量子計算算法的發現、基礎科研領域交叉、量子計算的工程化應用對接。
期待不久的將來，專用光量子計算機能夠真正為各行業帶來更多令人欣喜的應用。
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）
Lumerical 與 Synopsys OptoCompiler? 的無縫集成，以應對光子集成電路設計中的復雜挑戰，通過我們集成的功能和工作流程，工程師可以無縫設計單個光子元件，模擬光子集成電路，創建和實現版圖，并使用專業的Synopsys 工具進行電光協同仿真，最大限度地減少使用多工具的開銷。
你不一定知道的格芯！
他們的硅光子技術是范式轉變的開始，將計算機和有線通信的核心元素從電子改為光子。他們的 3D 和異構集成專業知識允許將常規邏輯、低功耗 FDX、無線電優化、光子學、InP 和 SiN 技術的組合集成到一個創新解決方案中，該解決方案利用最佳技術滿足應用需求。
由于這項先進技術，Global Foundries 是一家領先的代工廠，擊敗了臺積電、英特爾和三星等其他公司。
Nat. Photonics | 等離激元納米天線揭示細菌酶分子振蕩
部分作者簡介
辛洪寶，暨南大學納米光子學研究院教授、副院長、博士生導師。本科和博士畢業于中山大學，之后在新加坡國立大學和加州大學伯克利分校進行博士后研究，于2018年7月加入暨南大學納米光子學研究院。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。以第一/通訊作者在Nature Photonics、Nature Reviews Materials、Light: Science & Applications、Nature Communications等發表論文30余篇。課題組長期招聘博士后和青年教師。
論文信息
Lu, D., Zhu, G., Li, X. et al. Dynamic monitoring of oscillatory enzyme activity of individual live bacteria via nanoplasmonic optical antennas. Nat. Photon. (2023).
https://doi.org/10.1038/s41566-023-01265-2
文章來源：中國光學
展開 Ansys旗下Zemax OpticStudio STAR模塊榮獲SPIE軟件類 “棱鏡獎”
該年度“棱鏡獎”旨在表彰光學與光子學領域的前沿創新
主要亮點
STAR模塊可優化OpticStudio與有限元分析（FEA）軟件之間的工作流程
STAR直接集成在OpticStudio中，方便簡化FEA文件導入、結構與熱分析以及工作流程自動化
該獲獎模塊簡化了光學設計流程，同時提高了仿真精度，縮短研發時間，并降低開發成本
Ansys于2021年收購Zemax，其憑借OpticStudio STAR模塊榮膺備受尊崇的國際光學工程學會（SPIE）軟件類 “棱鏡獎” 。該年度獎項旨在表彰光學與光子學領域最新且最突出的創新。去年春季發布的新款關于結構、熱分析的（STAR）模塊優化了OpticStudio與有限元分析（FEA）軟件之間的工作流程，為光學設計與仿真帶來更多可能性。
自2008年以來，國際光學和光子學學會SPIE與其媒體合作伙伴Photonics Media共同推出了此獎項，以表彰光學與光子學行業的佼佼者。頒獎儀式在年度最大型光學與光子國際展會美國西部光電展（SPIE Photonics West）上進行。
SPIE學會活動經理Pamela Robertson表示：“棱鏡獎于2009年在美國西部光電展上首度頒發，以支持光學與光子行業發展，并提高該行業知名度。
展開 Ansys旗下Zemax OpticStudio STAR模塊榮獲SPIE軟件類 “棱鏡獎”
該年度“棱鏡獎”旨在表彰光學與光子學領域的前沿創新
主要亮點
STAR模塊可優化OpticStudio與有限元分析（FEA）軟件之間的工作流程
STAR直接集成在OpticStudio中，方便簡化FEA文件導入、結構與熱分析以及工作流程自動化
該獲獎模塊簡化了光學設計流程，同時提高了仿真精度，縮短研發時間，并降低開發成本
Ansys于2021年收購Zemax，其憑借OpticStudio STAR模塊榮膺備受尊崇的國際光學工程學會（SPIE）軟件類 “棱鏡獎” 。該年度獎項旨在表彰光學與光子學領域最新且最突出的創新。去年春季發布的新款關于結構、熱分析的（STAR）模塊優化了OpticStudio與有限元分析（FEA）軟件之間的工作流程，為光學設計與仿真帶來更多可能性。
自2008年以來，國際光學和光子學學會SPIE與其媒體合作伙伴Photonics Media共同推出了此獎項，以表彰光學與光子學行業的佼佼者。頒獎儀式在年度最大型光學與光子國際展會美國西部光電展（SPIE Photonics West）上進行。
SPIE學會活動經理Pamela Robertson表示：“棱鏡獎于2009年在美國西部光電展上首度頒發，以支持光學與光子行業發展，并提高該行業知名度。世界逐漸認識到我們行業的重要性，以及光子學如何為我們在醫療、氣候變化、信息傳播、交通運輸和安全等關鍵領域面臨的最嚴峻的全球挑戰提供解決方案。
展開 美國研發鈮酸鋰制造新技術
Paulson工程與應用科學學院(SEAS)的研究人員已經開發出一種技術，使用鈮酸鋰制造高性能光學微結構，從而打開了通往超高效集成光子電路、量子光子學及微波—光轉換等領域的大門。
該項研究使用傳統微制造工藝，制造出具有超低損耗和高度光學限制的高質量鈮酸鋰器件。Loncar實驗室憑借在鉆石領域的專業知識，使用標準等離子蝕刻在鈮酸鋰薄膜上雕刻微諧振器，并證明納米波導可以在一米長的光路上傳播光線，而光功率只損失大約一半。而同樣條件下，先前的鈮酸鋰器件中傳播的光將損失至少99%。由于納米波導每米傳播損耗小于3dB，科學家可以在1米的路徑長度上對光進行復雜操縱。此外這些波導能夠彎曲，因此一米長的波導可以包裝在一厘米大小的芯片內。
該成果是集成光子學和鈮酸鋰光子學的一個重大突破，將使各種光電功能成為可能，并意味著鈮酸鋰將解決數據中心光鏈路的關鍵應用問題。鈮酸鋰薄膜(TFLN)非常適用于任何需要調制光線或改變光線頻率的功能。在接下來的幾年中;TFLN將為數據中心提供光學模塊，以實現類似于今天電信設備的功能，但體積更小、成本更低、功耗更低。
研究人員的下一步目標是在該成果基礎上，開發鈮酸鋰平臺，應用于光通信、量子計算和通信以及微波光子學等一系列領域。
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