JCMsuite
Программное обеспечение для моделирования
JCMwave GmbH
Тип компанииЧастная компания
ПромышленностьКомпьютерное программное обеспечение
ОснованБерлин, Германия (2001)
Штаб-квартираБерлин, Германия
ПродукцияJCMsuite
Веб-сайтjcmwave.com
JCMsuite
Разработчик(и)JCMwave GmbH
Стабильный релиз
5.4.3 / 9 апреля 2023 г. ; 21 месяц назад ( 2023-04-09 )
Операционная системаWindows , Linux
ТипКомпьютерное проектирование
Конечно-элементный анализ
ЛицензияСобственное лицензионное соглашение
Веб-сайтjcmwave.com/jcmsuite

JCMsuite — это программный пакет конечно-элементного анализа для моделирования и анализа электромагнитных волн, упругости и теплопроводности. Он также позволяет осуществлять взаимную связь между своими оптическими, теплопроводными и континуумными решателями. Программное обеспечение в основном применяется для анализа и оптимизации нанооптических и микрооптических систем. Его приложения в научно-исследовательских и опытно-конструкторских проектах включают размерные метрологические системы , [1] [2] [3] фотолитографические системы , [4] фотонные кристаллические волокна , [5] [6] [7] VCSEL , [8] излучатели квантовых точек , [9] улавливание света в солнечных элементах , [10] и плазмонные системы . [11] Задачи проектирования могут быть встроены в высокоуровневые языки сценариев MATLAB и Python , что позволяет создавать сценарии настроек проектирования для определения зависимых от параметров проблем или для запуска сканирования параметров.

Проблемные классы

JCMsuite позволяет обрабатывать различные физические модели (классы задач).

Оптическое Рассеяние

Задачи рассеяния — это задачи, в которых задана геометрия показателя преломления объектов, известны падающие волны, а также (возможно) внутренние источники, и необходимо вычислить реакцию структуры в терминах отраженных, преломленных и дифрагированных волн. Система описывается гармоническим по времени уравнением Максвелла

∇ × μ − 1 ∇ × Э − ω 2 ϵ Э = − я ω Дж. {\displaystyle \nabla \times \mu ^{-1} \nabla \times \mathbf {E} -\omega ^{2} \epsilon \mathbf {E} = -i\omega \mathbf {J} }
∇ ⋅ ϵ Э = 0 {\displaystyle \nabla \cdot \epsilon \mathbf {E} =0} .

для заданных источников (плотностей тока, например, электрических диполей) и падающих полей. В задачах рассеяния рассматривается поле, внешнее по отношению к рассеивающему объекту, как суперпозиция исходного и рассеянного полей. Поскольку рассеянные поля удаляются от объекта, они должны удовлетворять условию излучения на границе вычислительной области. Чтобы избежать отражений на границах, они моделируются математически строгим методом идеально согласованного слоя (PML). Дж. {\displaystyle \mathbf {J} }

Конструкция оптического волновода

Волноводы — это структуры, которые инвариантны в одном пространственном измерении (например, в направлении z) и произвольно структурированы в двух других измерениях. Для вычисления волноводных мод уравнение Максвелла rot-rot решается в следующей форме

∇ × μ − 1 ∇ × Э = ϵ ω 2 Э {\displaystyle \nabla \times \mu ^{-1} \nabla \times \mathbf {E} =\epsilon \omega ^{2}\mathbf {E} }
Э = Э ( х , у ) е я к з з . {\displaystyle \mathbf {E} =\mathbf {E} (x,y)e^{ik_{z}z}.}

Из-за симметрии задачи электрическое поле может быть выражено как произведение поля, зависящего только от положения в поперечной плоскости и фазового фактора. Учитывая проницаемость, диэлектрическую проницаемость и частоту, JCMsuite находит пары электрического поля и соответствующую постоянную распространения (волновое число) . JCMsuite также решает соответствующую формулировку для магнитного поля . Расчет моды в цилиндрической и скрученной системах координат позволяет вычислить эффект изгиба волокна. Э {\displaystyle \mathbf {E} } Э ( х , у ) {\displaystyle \mathbf {E} (x,y)} Э ( х , у ) {\displaystyle \mathbf {E} (x,y)} к з {\displaystyle k_{z}} ЧАС ( х , у ) {\displaystyle \mathbf {H} (x,y)}

Оптические резонансы

Проблемы резонанса — это проблемы в 1D, 2D или 3D, где задана геометрия показателя преломления резонирующих объектов, а угловые частоты и соответствующие резонирующие поля должны быть вычислены. Падающие волны или внутренние источники отсутствуют. JCMsuite определяет пары и или и , удовлетворяющие гармоническому по времени уравнению Максвелла «ротор-ротор», например, ω {\displaystyle \омега} Э {\displaystyle \mathbf {E} } ω {\displaystyle \омега} ЧАС {\displaystyle \mathbf {H} } ω {\displaystyle \омега}

∇ × μ − 1 ∇ × Э = ϵ ω 2 Э {\displaystyle \nabla \times \mu ^{-1} \nabla \times \mathbf {E} =\epsilon \omega ^{2}\mathbf {E} }
∇ ⋅ ϵ Э = 0 {\displaystyle \nabla \cdot \epsilon \mathbf {E} =0} .

для пары и . Э {\displaystyle \mathbf {E} } ω {\displaystyle \омега}

Типичными приложениями являются расчет мод полости (например, для полупроводниковых лазеров), плазмонных мод и зонных структур фотонных кристаллов .

Теплопроводность

Омические потери электромагнитного поля могут вызвать нагрев, который распространяется по объекту и изменяет показатель преломления структуры. Распределение температуры внутри тела регулируется уравнением теплопроводности Т {\displaystyle Т}

∂ т ( с ρ Т ) = ∇ ⋅ к ∇ Т + д {\displaystyle \partial _{t}\left(c\rho T\right)=\nabla \cdot k\nabla T+q}

где — удельная теплоемкость, — плотность массы, — теплопроводность, — плотность теплового источника. При наличии плотности теплового источника JCMsuite вычисляет распределение температуры Конвекция тепла или тепловое излучение внутри тела не поддерживаются. Температурный профиль может использоваться в качестве входных данных для оптических вычислений для учета температурной зависимости показателя преломления вплоть до линейного порядка. с {\displaystyle с} ρ {\displaystyle \ро} к {\displaystyle к} д {\displaystyle д} д {\displaystyle д} Т . {\displaystyle Т.}

Линейная эластичность

Нагрев из-за омических потерь может также вызывать механическое напряжение через тепловое расширение. Это изменяет двупреломление оптического элемента в соответствии с фотоупругим эффектом и, следовательно, может влиять на оптическое поведение. JCMsuite может решать линейные задачи механики сплошных сред . Уравнения, определяющие линейную упругость, следуют из принципа минимума для упругой энергии

∫ Ω ϵ я дж С я дж к л ( ϵ к л − ϵ к л инициализация ) − ты я Ф я → мин , {\displaystyle \int _{\Omega }\epsilon _{ij}C_{ijkl}\left(\epsilon _{kl}-\epsilon _{kl}^{\text{init}}\right)-u_{i}F_{i}\rightarrow \min ,}

при условии фиксированного или свободного смещения граничных условий. Величины — тензор жесткости , линейная деформация , заданная начальная деформация , смещение (из-за теплового расширения) и заданная сила . Линейная деформация относится к смещению с помощью . Вычисленная деформация может использоваться в качестве входных данных для оптических вычислений для учета зависимости показателя преломления от напряжения. Напряжение и деформация связаны модулем Юнга . С я дж к л {\displaystyle C_{ijkl}} ϵ я дж {\displaystyle \epsilon _{ij}} ϵ я дж инициализация {\displaystyle \epsilon _{ij}^{\text{init}}} ты я {\displaystyle u_{i}} Ф я {\displaystyle F_{i}} ϵ я дж {\displaystyle \epsilon _{ij}} ты я {\displaystyle u_{i}} ϵ я дж = 1 2 ( ∂ я ты дж + ∂ дж ты я ) {\displaystyle \epsilon _{ij}={\frac {1}{2}}\left(\partial _{i}u_{j}+\partial _{j}u_{i}\right)}

Численный метод

JCMsuite использует метод конечных элементов . Подробности численной реализации были опубликованы в различных работах, например [12] Производительность методов сравнивалась с альтернативными методами в различных тестах, например [13] [14] Благодаря достижимой высокой численной точности JCMsuite использовался в качестве эталона для результатов, полученных аналитическими (приближенными) методами, например [15] [11]

Ссылки

  1. ^ Potzick, J.; et al. (2008). Kawahira, Hiroichi; Zurbrick, Larry S (ред.). "Международное сравнение ширины линии фотошаблонов NIST и PTB". Proc. SPIE . Photomask Technology 2008. 7122 : 71222P. Bibcode :2008SPIE.7122E..2PP. doi :10.1117/12.801435. S2CID  109487376.
  2. ^ Марлоу, Х.; и др. (2016). «Моделирование и эмпирическая характеристика поляризационного отклика внеплоскостных отражательных решеток». Appl. Opt . 55 (21): 5548– 53. Bibcode :2016ApOpt..55.5548M. doi :10.1364/AO.55.005548. PMID  27463903.
  3. ^ Хенн, М.-А.; и др. (2016). «Оптимизация наномасштабной количественной оптической визуализации субполевых рассеивающих целей». Opt. Lett . 41 (21): 4959– 4962. Bibcode :2016OptL...41.4959H. doi :10.1364/OL.41.004959. PMC 5815523 . PMID  27805660. 
  4. ^ Tezuka, Y.; et al. (2007). Lercel, Michael J (ред.). "Эксперимент по экспонированию в EUV-области с использованием запрограммированных многослойных дефектов для улучшения моделирования печатной пригодности". Proc. SPIE . Emerging Lithographic Technologies XI. 6517 : 65172M. Bibcode : 2007SPIE.6517E..2MT. doi : 10.1117/12.711967. S2CID  123632929.
  5. ^ Берават, Р.; и др. (2016). «Направление, вызванное скручиванием в фотонно-кристаллическом волокне без сердцевины: спиральный канал для света». Sci. Adv . 2 (11): e1601421. Bibcode : 2016SciA....2E1421B. doi : 10.1126/sciadv.1601421. PMC 5262443. PMID  28138531 . 
  6. ^ Вонг, ГКЛ и др. (2012). «Возбуждение резонансов орбитального углового момента в спирально скрученном фотонно-кристаллическом волокне». Science . 337 (6093): 446– 9. Bibcode :2012Sci...337..446W. doi :10.1126/science.1223824. hdl :11573/479444. PMID  22837523. S2CID  206542221.
  7. ^ Couny, F.; et al. (2007). «Генерация и фотонное управление многооктавными оптически-частотными гребнями». Science . 318 (5853): 1118– 21. Bibcode :2007Sci...318.1118C. doi :10.1126/science.1149091. PMID  18006741. S2CID  32961022.
  8. ^ Щукин, В.; и др. (2014). «Одномодовый вертикальный резонатор поверхностного излучения лазера с использованием оксидной апертуры для инжиниринга утечки поперечных мод высокого порядка». IEEE J. Quantum Electron . 50 (12): 990– 995. Bibcode : 2014IJQE...50..990S. doi : 10.1109/JQE.2014.2364544. S2CID  34205532.
  9. ^ Gschrey, M.; et al. (2015). «Совершенно неразличимые фотоны из детерминированных квантово-точечных микролинз, использующих трехмерную электронно-лучевую литографию in situ». Nat. Commun . 6 : 7662. arXiv : 1312.6298 . Bibcode : 2015NatCo...6.7662G. doi : 10.1038/ncomms8662. PMC 4518279 . PMID  26179766. 
  10. ^ Yin, G.; et al. (2016). «Улучшение поглощения света для ультратонких солнечных элементов Cu(In1−xGax)Se2 с использованием плотно упакованных массивов двумерных наносфер SiO2». Материалы солнечной энергетики и солнечные элементы . 153 : 124– 130. doi :10.1016/j.solmat.2016.04.012.
  11. ^ ab Шапиро, Д.; и др. (2016). «Оптическое поле и сила притяжения на субволновой щели». Opt. Express . 24 (14): 15972– 7. Bibcode : 2016OExpr..2415972S. doi : 10.1364/OE.24.015972 . PMID  27410865.
  12. ^ Pomplun, J.; et al. (2007). «Адаптивный метод конечных элементов для моделирования оптических наноструктур». Physica Status Solidi B. 244 ( 10): 3419– 3434. arXiv : 0711.2149 . Bibcode : 2007PSSBR.244.3419P. doi : 10.1002/pssb.200743192. S2CID  13965501.
  13. ^ Хоффманн, Дж.; и др. (2009). Боссе, Харальд; Бодерманн, Бернд; Сильвер, Ричард М. (ред.). "Сравнение решателей электромагнитного поля для трехмерного анализа плазмонных наноантенн". Proc. SPIE . Аспекты моделирования в оптической метрологии II. 7390 : 73900J. arXiv : 0907.3570 . Bibcode : 2009SPIE.7390E..0JH. doi : 10.1117/12.828036. S2CID  54741011.
  14. ^ Maes, B.; et al. (2013). «Моделирование высокодобротных оптических нанорезонаторов с постепенной одномерной запрещенной зоной». Opt. Express . 21 (6): 6794– 806. Bibcode : 2013OExpr..21.6794M. doi : 10.1364/OE.21.006794 . hdl : 1854/LU-4243856 . PMID  23546062.
  15. ^ Бабичева, В.; и др. (2012). "Локализованные поверхностные плазмонные моды в системе двух взаимодействующих металлических цилиндров". J. Opt. Soc. Am. B . 29 (6): 1263. arXiv : 1204.5773 . Bibcode :2012JOSAB..29.1263B. doi :10.1364/JOSAB.29.001263. S2CID  2904452.
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=JCMsuite&oldid=1170595904"