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在这个示例中，我们基于Mercante等人的工作[1]模拟了一种薄膜铌酸锂（LNOI）相位调制器。通过利用引入的各向异性介电常数特性，我们在CHARGE中计算了由射频引发的电容电场（E场）。然后，这些电场用于通过Pockels效应在电信波长下计算铌酸锂中的电光折射率扰动。接着，我们在FEEM中计算了扰动的LN波导的光学模式，以及TE基模的电压相关相位调制性能，包括损耗和VπL。 光收发器将电信号转换为光信号。所有的计算都始于电子领域，然后通过将信号从电信号转换为光信号，我们可以提升更多的通道，拥有更大的带

2.在“Script File Editor”选项卡中，打开脚本文件“Step3_run_FDTD_EC.lsf”，并将变量“file_path”中的路径设置为Zemax POP文件夹，通常在“User\\Documents\\Zemax\\POP\\BEAMFILES\\”中。在该工具的设置中，用户可以选择他们感兴趣的.ZBF文件，其语法为“[edgecoup_zbf_mode]_nnnn_1.zbf”，其中[]中的名称是基于此设置之前的文本框，nnnn指的是存储.ZBF数据的表面编号。

本例中的衍射光栅由单层液晶(5CB)构成。我们可以通过在XY平面内对液晶分子长轴的取向施加周期性空间变化来构建光栅结构。通过适当设计具有摆线衍射图案的光栅，可以消除零级衍射并将光完全分配到第一级衍射。

我们可以通过在 Lumopt（基于 Python 的 Lumerical 优化工具）中使用红色和蓝色像素的综合强度作为品质因数，显着提高每个像素的效率。field_region_name 应与脚本文件 Base_script_2D_TE_volume.lsf 中的场区域监视器名称相同。第四，我们应该将下面的值与脚本文件 Base_script_2D_TE_volume.lsf 中的值进行交叉检查。下一步，我们需要在脚本文件 topo_focus_2D_basic.py 中定义几个优化参数。

因此，为了获得更准确的结果，我们将计算总损耗，即 POP 分析中报告的系统损耗（直至微透镜表面）与 FDTD 仿真中报告的损耗的乘积。在可以解决高效耦合器设计挑战的各种耦合机制中，我们提出了一种带有光栅耦合器的解决方案，其中在光栅上方添加微透镜以提高光纤对准的公差。对于 300μm 硅层顶部带有400μm曲率半径的微透镜的光栅耦合器，ZBF 平面旋转 5 度并耦合到 13μm 束腰的光纤中，这表示光纤具有扩展的纤芯。为了使耦合高效，重要的是设计一个具有最佳曲率的微透镜，同时考虑到与光纤的距离。

在前两部分的文章中，我们主要讨论了如何在 Lumerical 中定义目标相位的分布，并将该解析解用于 OpticStudio 中设计理想的相位掩膜，并且后续可以使用 FDTD 或者 RCWA 算法对其进行扫描仿真。在这一步中，我们扫描纳米棒的高度和半径，并获得其透射、相位和近场信息，从而选择出对应所需传输和相位特性的纳米棒高度情况，然后保存相位与光场相对于半径的结果以供后续步骤使用。本案例的目的是设计一个由圆柱形纳米棒组成的衍射超透镜，人为调整纳米棒的半径和排列可以在超透镜表面上产生所需的相位分布。

下图显示了使用EME分析窗口中的波长扫描功能获得的1.1 µm taper 宽度的 MMI 传输与波长的函数关系。确保每个单元格中的模式数量足以给出准确的结果，模式收敛扫描是确保仿真结果可靠的重要部分，应作为 EME 仿真文件初始设置的一部分来完成。下图显示输出端口的传输结果收敛于约15种模式，稍大的值用于确保模式数量足以满足本示例中使用的其他扫描（如波长、纤芯长度和锥形宽度）。下图显示了TE和TM模式到输出端口之一的传输，正如预期的那样，TE模式性能更好，因为该设备是为TE模式设计的。

FDE求解器可以分析出各类波导横截面上的导模和导模对应的各类光学参数，因此在本步骤中，我们可以使用FDE求解器分析出铁电波导横截面有效折射率与偏置电压的关系图。首先，我们将上一步中得到的包含不同偏置电压下电场分布的WG_Efield.mat文件，通过预留的接口导入到FDE求解器中，如下图所示。在波导中，BiTiO3 晶体的取向使得晶体的 [011] 方向平行于沿波导的传播方向，因此需要旋转晶体的介电常数张量以解决这一问题。BiTiO3层的顶部的非晶硅可以形成脊波导结构，可以限制横向（x方向）的光分布。

首先，对TE0模式进行波长和温度的参数扫描，设置4个波长点（1.5μm-1.6μm范围）和3个温度点（0-100℃范围），扫描之后可以获取不同波长和温度下的模式分布和有效折射率；采用解析的各向异性材料模型使我们能够扫描温度和波长，使用 FDE 计算基模和二次谐波模式的有效折射率。将步骤2获得的不同温度数据点拟合到函数，通过Python在每个温度下计算二次函数的根，进而得到每个温度下色散曲线的截距（下图中每个点代表对应温度的截距），进一步拟合得到温度相关的相位匹配调制斜率曲线。1.55μm基模TE0模式。

本示例的目标是设计一个 TE 绝缘体上硅 (SOI) 耦合器，该耦合器具有布拉格光栅结构和顶部注入的单模光纤。通过设计一个光栅耦合器，将光子芯片表面的单模光纤连接到集成波导，并使用优化工具用于最大化耦合效率，并使用S 参数创建 INTERCONNECT 中的紧凑模型。由于具有五个参数的 3-D 优化非常耗时，因此此处使用 2-D 和 3-D 模型的组合并仅改变三个几何参数进行两阶段优化。设计工作流程包括四个主要步骤。在 INTERCONNECT 中测量的功率传输与步骤 3 中获得的 s 参数功率传输相同。

在此工作流程中，设计人员首先在Lumerical FDTD或RCWA中模拟光栅，然后将数据导出到扩展名为json的文件。在OpticStudio中，用户可以导入这些数据，以精确模拟在整个宏观系统中的光栅特性。

本例中DCR的计算包括两个主要步骤：使用Ansys Lumerical CHARGE模拟电场和热生成速率，然后在Ansys Lumerical脚本中计算雪崩触发概率和暗计数率。如上图所示。运行和结果部分中模拟的 2D SPAD 设备表示用于说明模拟工作流的示例设备。要查看针对实际测量设备的基准仿真结果，请转到附录。此示例需要版本 2023 R2.1 或更高版本才能运行。

激光雷达（LIDAR）是“light detection and ranging”的简称，近年来由于在机器人、自动驾驶汽车、高精度测绘等领域的快速应用而备受关注。由于具有高角度分辨率和很快的转向速度，目前最先进的激光雷达能够实现每秒对数百万个点进行测距。现有激光雷达架构中的光束转向机制通常分为两类：机械式（如基于旋转或 MEMS 的实现）和非机械式（最常见的是光学相控阵）。基于硅光子技术的光学相控阵具有大光学孔径和紧凑的占地面积，被认为是低成本、高速、坚固耐用的固态激光雷达的理想解决方案。

本例中的仿真是使用 MODE 和 qINTERCONNECT 求解器执行的。模拟在 MODE 中通过 Lumerical 脚本文件进行设置和运行。接下来，运行 python 脚本以生成用作 qINTERCONNECT 输入的状态。然后，qINTERCONNECT 仿真通过 Python API 运行，可以直接在 INTERCONNECT 中运行，也可以在外部 Python 环境中运行。

上期我们讲到了Ansys系列的三大光学软件于2024年的更新，在小宇快马加鞭的信息收集下，更加具体的内容也整理完毕了，一起来看看Ansys Speos又有哪些具体的功能更新吧~

在这个信息爆炸的时代，光学技术的进步将为我们带来更多未知的可能性。- µLED 的应用主要包括消费电子产品中的高质量显示屏（如 AR/VR 显示屏、智能手表、智能手机）和汽车显示屏（如 HUD、环境照明中央控制台、前大灯）- 新的HMD追踪兼容性，带来完全沉浸式的结果体验 - 这使得各行各业的Speos用户能够执行综合分析，并更直观分析结果，更好地评估真实产品的外观。- 为基于氮化物的绿色和蓝色 µLED 提供新的支持，包括使用CHARGE/MQW求解器的耦合模式下的二维光电模拟。

第二张图显示了所有衍射阶数的反射作为波长从0.4um到0.7um的函数。为了获得平滑的反射曲线，需要比平时更多的频率点。然而，可以看出，需要更多的频率点（例如 200 个）才能获得更平滑的结果。我们将使用光栅阶数透射部分中描述的光栅阶次透射分析对象来测量反射和透射。完成后，使用脚本 grating_blaze.lsf 计算光栅在固定波长处的反射和光栅阶数。请注意，我们使用了BFAST光源，因此宽带源以相同的入射角注入所有波长。为了捕获全反射和透射的特征，监视器中需要更多的频率点。

在本例中，演示了如何将KLayout Library Cell动态导入 Lumerical 以执行设计扫描和表征。该功能支持动态导入到Lumerical FDTD、MODE以及Multiphysics的所有工具，包括CHARGE、HEAT、FEEM、MQW、DGTD。Windows 100.28.10Windows 110.28.9NOTE：建议使用指定版本的 KLayout，因为并非所有版本的 KLayout 都受支持和测试。此外，Linux部分的支持尚未经过充分测试和支持，请谨慎使用。

光学 | 联合Ansys Zemax及Lumerical应对AR/VR市场挑战

由于将垂直结构折叠成有效板坯在像锥体这样的宽区域中效果非常好，因此无需对波导板坯中的光传播进行近似，通过这种 2.5D FDTD 处理可以得到非常接近 3D FDTD 的结果。在下一页，我们将计算输出波导各个模式的传输，结果显示与 3D FDTD 的结果非常接近。现在，我们将演示如何计算从输入波导到输出波导的各个模式的传输，并将结果与3D FDTD进行比较。在这里，我们将从左波导“w1”注入模式源，并测量向右波导“w2”的TE模式的传输。在锥形的两端，我们受限于 w1和w2 的波导宽度。

光栅的衍射角也取决于工作波长，并且在不同的阶数下表现出不同的值。唯一的例外是 （0,0） 阶，它由入射光束的角度固定（在本例中为 theta=0 和 phi=0）。本例中的衍射光栅是平面上的半椭球体的二维阵列。在下面所示的三角晶格光栅中，您可以形成一个较大的矩形晶胞（红色），由三角晶格的两个较小的晶胞（黄色）组成。这是因为基板的折射率（1.45）大于空气的折射率，这意味着基板中的有效波长较短。这与上述观察结果一致。上述结果作为波长的函数返回，可以直接用于您的光栅设计或进一步处理以产生您感兴趣的品质因数。

设计具有EPE的AR系统，可以增加眼盒的尺寸，这对系统级的优化来说是一个挑战，因为它需要大量的参数。一种解决方案是使用多个一维光栅来模拟瞳孔，有关详细信息，请参阅。

本文介绍了设计和模拟厘米尺度超透镜的工作流程。我们将一系列不同直径的纳米尺寸等级单元(以下称为纳米单元)在Lumerical中建模，使用RCWA方法对每种直径的纳米单元进行分析，建立纳米元素直径以及其诱发的相位和振幅关系数据库。数据接下来被导入OpticStudio，以整合到光线追踪系统中，借由超透镜把准直光束聚焦。

设计具有EPE的AR系统，可以增加眼盒的尺寸，这对系统级的优化来说是一个挑战，因为它需要大量的参数。在本文中，波导由三个在Lumerical中设计的1D倾斜光栅组成。这些光栅分别用于 OpticStudio 光学系统中的内耦合器 （IC）、折叠光栅和外耦合器 （OC），通过动态链路。折叠光栅和超频光栅都被划分为几个区域，在优化过程中分别调整光栅参数。然后，optiSLang 通过 Python 节点处理优化。

EPE是基于波导的AR系统（如Microsoft Hololens）中最流行的技术之一。它包括一块薄玻璃板（波导），上面有几个光栅。光栅的周期、区域形状和周期方向通常在 k 空间中规划。K 空间是一个二维空间，该空间中的任何单个点始终表示射线传播方向。当衍射光栅改变光线的传播方向时，它在该 k 空间中的位置会被矢量移动，其中矢量的长度与周期有关。K-space是一个非常有用的概念，用于规划EPE系统的光传播和光栅周期。上述文章中的系统适用于具有三个 1D 光栅的 EPE。

在这个例子中，我们研究一个球面菲涅尔透镜。透镜的曲率半径为100cm，直径为4.8cm。由于该结构的尺寸较大，我们必须使用该结构的二维近似。透镜的焦点可以用FDTD远场投影函数来研究。

此案例首先示范使用Lumerical 中STACK求解器的相关函数指令，优化偶极子在叠层中的位置，接着计算单位立体角的功率，把仿真结果转换成红绿蓝三色光源的能量角度分布。最后把结果转成Zemax OpticStudio 光源格式，在Zemax OpticStudio 中视觉化任意OLED源阵列的远场结果。

本分析将计算厚度H=140nm的50%占空比光栅和正入射光的对比度与间距的关系，光栅常数将在40nm和240nm之间变化（对应于W＝20nm到W＝120nm的线宽变化），将绘制3个不同波长（λ=450nm、λ=550nm和λ=650nm）的结果。基于这些结果，占空比为50%的铝光栅具有约85%的透射率。图4计算了铝纳米线栅偏振器的S-偏振光透射率作为光栅占空比的函数，仿真结果表明，对于50%的占空比，S-偏振光透射率约为8e10^-5，对于更大的占空比因子，S-偏振光透射率降低至10^-10。

本案例将Lumerical和HFSS在行波MZM调制器建模中的功能与optiSLang相结合，提供了强大的优化能力以寻找最佳性能设计。

本示例描述了行波 Mach-Zehnder 调制器的完整多物理场（电气、光学、射频）仿真，最后在INTERCONNECT中进行了紧凑模型电路仿真。计算了相对相移、光学传输、传输线带宽和眼图等关键结果。

最终，基于光学仿真（步骤2）得出的电荷生成数据将与电学仿真（步骤4）得出的加权函数相结合，分析求解出不同入射角度下的量子效率和串扰（步骤5）。由此，我们计算了一个空间变化的加权函数，该函数表示在空间中任何点生成的电子-空穴对被特定像素的触点收集的概率（本例中为绿色）。仿真的结果主要包括：光的空间分布与传输，光效率及量子效率与光入射角度的关系，同时还分析了微透镜位移产生的影响。因为光源的波长被设置为550 nm（绿色），由于不同区域的波长选择性不同，所以可以发现下图中绿色像素处的监视器中的透射较高。

首先，对TE0模式进行波长和温度的参数扫描，设置4个波长点（1.5μm-1.6μm范围）和3个温度点（0-100℃范围），扫描之后可以获取不同波长和温度下的模式分布和有效折射率；采用解析的各向异性材料模型使我们能够扫描温度和波长，使用 FDE 计算基模和二次谐波模式的有效折射率。将步骤2获得的不同温度数据点拟合到函数，通过Python在每个温度下计算二次函数的根，进而得到每个温度下色散曲线的截距（下图中每个点代表对应温度的截距），进一步拟合得到温度相关的相位匹配调制斜率曲线。1.55μm基模TE0模式。