軟件概述

JCMsuite是計算復雜納米光學系統(tǒng)中電磁場的有限元求解器。其連續(xù)力學和熱傳導模塊能夠實現(xiàn)復雜材料的建模，如應力誘導的雙折射。利用所包含的光學成像和光源工具能夠完成全波長光學系統(tǒng)仿真的工作流程，如顯微鏡、散射儀或單光子光源(包括芯片光纖耦合和非相干效應)。

軟件特色

JCMsuite是基于計算機科學的高級數(shù)學方法和技術。它利用了有限元方法(FEM)的強大功能和靈活性來快速和準確地獲得結果，并使用最新的機器學習技術來優(yōu)化復雜的光學器件。

 CAD 和網格工具

 JCMsuite幾何和網格工具是專門為光子應用而設計的

 形狀和幾何圖形：可以使用線性或彎曲單元創(chuàng)建各種CAD幾何圖形，如2D和3D圖元、擠壓體、圓角形狀和自由形狀

 對稱性：通過定義周期或鏡像對稱網格，或者通過在圓柱和扭曲坐標系中工作，可以大大減少計算時間

 無限結構：支持多層結構、層狀外部域和波導結構

 自適應網格：自動網格細化，邊角和法線細化可實現(xiàn)高度精確的計算

 Hp-FEM解算器

 有限元方法(FEM)提供了一種常規(guī)、嚴格、通用且非常快速的方法來解決科學和技術挑戰(zhàn)

 求解問題類別：JCMsuite解決了時間諧波麥克斯韋方程組的光散射問題、波導設計問題、光學共振問題以及線性彈性問題、熱傳導問題，以及這些類型的任何耦合問題類別

 自動數(shù)值設置：根據(jù)基于殘差的誤差估計，自動選擇各種數(shù)值設置，如有限元度、PML設置(完美匹配層)

 材料和光源：可以定義各種材料的性質，如復合和各向異性材料的介電常數(shù)和磁導率張量、色散性質、熱導率和剛度。例如，可以通過平面波，周期性或孤立的偶極子，光束和波導模式來激發(fā)結構

 后處理：特別關注光學中所有必要后處理的支持和高效計算，如傅里葉變換、遠場、能量通量、重疊積分、光學成像、共振擴展和Purcell因子

 分析和優(yōu)化工具包

 機器學習技術能夠有效地分析和優(yōu)化光學器件的性能

 優(yōu)化：貝葉斯優(yōu)化是一種高效的優(yōu)化方法，能夠在更短的計算時間內開發(fā)高性能器件。其他支持的優(yōu)化方法包括下行單純形優(yōu)化、粒子群優(yōu)化、差分進化和L-BFGS-B方法

 不確定度量化：光學系統(tǒng)的參數(shù)往往存在不確定性和波動。該工具包包括幾個有效的方法來確定參數(shù)敏感性(Sobol系數(shù))以及波動下的平均性能和方差

 參數(shù)重構：從實測數(shù)據(jù)重構材料屬性、形狀參數(shù)等系統(tǒng)參數(shù)是一項復雜的數(shù)值任務。JCMsuit包括了各種有效工具，可以對參數(shù)值及其測量不確定性進行時間高效和精確重構

 預測：經過一個學習階段，可以預測未知參數(shù)下光學器件的性能

軟件安裝及運行環(huán)境

 操作系統(tǒng)：Windows系統(tǒng)，要求64位版本；Linux系統(tǒng)

 CPU：至少具有2.4 GHz的四核處理器，建議至少具有3 GHz八核

 RAM：8 GB，建議至少32 GB

 硬盤空間：50 GB，建議使用250 GB SSD驅動器圖形適配器

 接口：USB 端口，DVD–ROM 光驅

軟件應用領域現(xiàn)代納米光學系統(tǒng)的復雜性使得大量的仿真非常必要。 JCMsuite提供的超嚴格的仿真可以讓設計者深刻理解相關現(xiàn)象，了解更多不同領域帶來的挑戰(zhàn)。

計算光刻

JCMsuite提供了完整的光學仿真鏈：對復雜照明的描述，通過光學成像系統(tǒng)和光掩模傳播的光場的計算，直至在光刻膠中形成圖像。

計算計量學

周期大于照明波長一半的結構的光學計量已成為標準計量技術。 但是，快速嚴格的仿真技術以及設計好的測量裝備允許在深亞波長范圍內使用光學計量方法

波導和光纖

JCMsuite為所有類型的波導（包括單模和多模光纖，光子晶體光纖，微結構光纖，集成光波導，等離子體波導）計算波導模式和相應的傳輸常數(shù)。 圓柱坐標系和扭曲坐標系中的模式計算允許嚴格計算波導彎曲的影響。

光伏

JCMsuite支持各個方面提高光電效率：分析層結構和材料成分的效率、隨機和微結構層、背反射器和表面的影響、規(guī)則或隨機分布的等離子體粒子的等離子體效應以及包括頻率轉換在內的非線性效應。

光源

諸如激光二極管，VCSEL，LED，OLED和單光子光源之類的光源是光學設備的基本組成部分。 JCMsuite可以對其光學特性進行有效的仿真和優(yōu)化，包括遠場分布，光纖耦合效率和熱透鏡效應。

納米結構材料

JCMsuite允許設計和分析新型納米結構材料的光學特性。 例如等離子體材料，手性材料，光子晶體和準晶體，超材料，粗糙界面，納米復合材料等。

應用舉例 微結構光源光學特性的仿真和優(yōu)化

微納光學的光源通常分為兩大類：垂直發(fā)射器和水平發(fā)射器

上圖所示垂直發(fā)射器(黑色盒子)安裝在基片上或基片內，通常情況下是多層堆棧。光線在活躍區(qū)域(黑色盒子)產生，并且被激發(fā)到上半部分空間。除了由阻尼材料引起的內部損失，光能也由于輻射到基片或水平方向的光在基片層中被捕獲而損失。建立垂直光光源有以下兩種方法： 計算激光諧振腔的共振模式，可詳見案例VCSEL。

 直接將光源(電流密度)放置在活躍層中，可詳見案例量子點發(fā)射器在這兩種情況下，激發(fā)光束的質量可以通過遠場或傅里葉變換后處理進行分析。

邊緣（水平發(fā)射器）：在這種情況下，激光諧振腔由一個相對較長的波導組成。光束在波導的端面水平被激發(fā)。為了設計一個邊緣發(fā)射器，計算了激光諧振腔的波導模式，可詳見案例大功率二極管激光器 光伏發(fā)電的衍射效率分析及結構優(yōu)化

薄膜硅太陽能電池依靠散射結構將入射光衍射到更大的角度，從而在高折射率吸收材料中通過全內反射捕獲光。它們的優(yōu)化是當前研究的一個課題。一般來說，即使散射結構在本質上是統(tǒng)計性質的，也可以在JCMsuite軟件中通過應用周期邊界條件對單元進行建模，也可以對簡單、隨機紋理薄膜太陽能電池進行幾何定義和網格劃分，進而對不同層材料的衍射、吸收效率進行分析。

 微納光子器件的光學特性分析以及器件結構優(yōu)化衍射光學元件(DOE)通過波長維度上的圖案來操縱光通過它傳播的相位和振幅。典型的非對稱光柵有周期圖案(光柵)、菲涅耳透鏡、孤立目標圖案、二元光柵、光闌等。

下圖概述了模擬光從DOE散射的典型裝置:

通常，DOE駐留在介質襯底上。照明光場(如平面波)從下方或上方照射到DOE。這激發(fā)了透射場和反射場，這是我們感興趣的典型參量。JCMsuite計算近場電磁場，并使用它通過傅里葉變換或遠場評估后處理的方式來推導遠場(透射和反射)。

對于周期結構，傅里葉變換后處理產生離散衍射模。對于孤立問題，傅里葉變換由連續(xù)分布的散射場和由平面波照明產生的最終離散模式組成。結合傅里葉變換，您可以使用光學成像后處理來形成由成像工具(如顯微鏡)產生的圖像。