JCMsuite - JCMsuite

JCMwave GmbH

Тип	Частная компания
Промышленность	Компьютерное программное обеспечение
Основан	Берлин, Германия (2001)
Штаб-квартира	Берлин, Германия
Товары	JCMsuite
Интернет сайт	www.jcmwave.com

JCMsuite

Разработчики)	JCMwave GmbH
Стабильный выпуск	3.6.1 / 27 января 2017 г.; 3 года назад (2017-01-27)
Операционная система	Windows, Linux
Тип	Компьютерная инженерия, Анализ методом конечных элементов
Лицензия	Проприетарный EULA
Интернет сайт	www.jcmwave.com/ JCMsuite/ doc/ html/

JCMsuite это анализ методом конечных элементов программный пакет для моделирования и анализа электромагнитных волн, упругости и теплопроводности. Он также обеспечивает взаимную связь между его решателями оптики, теплопроводности и механики сплошных сред. Программное обеспечение в основном применяется для анализа и оптимизации нанооптический и микрооптические системы. Его приложения в проектах исследований и разработок включают:системы размерной метрологии,^[1][2][3]фотолитографические системы,^[4]фотонно-кристаллические волокна,^[5][6][7]VCSEL,^[8]Излучатели на квантовых точках,^[9]свет в ловушку солнечные батареи,^[10] иплазмонные системы.^[11]Задачи проектирования могут быть встроены в языки сценариев высокого уровня. MATLAB и Python, позволяя создавать сценарии настроек проекта для определения проблем, зависящих от параметров, 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 виде отраженных, преломленных и дифрагированных волн. Система описывается гармоническим во времени Уравнение Максвелла

${\displaystyle \mu ^{-1}\nabla \times \epsilon ^{-1}\nabla \times \mathbf {E} -\omega ^{2}\mathbf {E} =-i\omega \epsilon ^{-1}\mathbf {J} }$

${\displaystyle \nabla \cdot \epsilon \mathbf {E} =0}$.

для данных источников ${\displaystyle \mathbf {J} }$ (плотности тока, например, электрические диполи) и падающие поля. В задачах рассеяния поле, внешнее по отношению к рассеивающему объекту, рассматривается как суперпозиция исходного и рассеянного полей. Поскольку рассеянные поля удаляются от объекта, они должны удовлетворять условию излучения на границе расчетной области. Чтобы избежать отражений на границах, они моделируются строгим математическим методом идеально подобранный слой (ПМЛ).

Конструкция оптического волновода

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

${\displaystyle \nabla \times \epsilon ^{-1}\nabla \times \mathbf {E} =\mu \omega ^{2}\mathbf {E} }$

${\displaystyle \mathbf {E} =\mathbf {E} (x,y)e^{ik_{z}z}.}$

Из-за симметрии задачи электрическое поле ${\displaystyle \mathbf {E} }$ может быть выражено как произведение поля ${\displaystyle \mathbf {E} (x,y)}$ в зависимости только от положения в поперечной плоскости и фазового фактора. Учитывая проницаемость, диэлектрическую проницаемость и частоту, JCMsuite находит пары электрического поля ${\displaystyle \mathbf {E} (x,y)}$ и соответствующая постоянная распространения (волновое число) ${\displaystyle k_{z}}$. JCMsuite также решает соответствующую формулировку для магнитного поля ${\displaystyle \mathbf {H} (x,y)}$. Расчет мод в цилиндрической и скрученной системах координат позволяет рассчитать эффект изгиба волокна.

Оптические резонансы

Проблемы резонанса - это задачи в 1D, 2D или 3D, в которых задана геометрия показателя преломления резонирующих объектов и угловые частоты ${\displaystyle \omega }$ и соответствующие резонирующие поля должны быть вычислены. Нет падающих волн или внутренних источников. JCMsuite определяет пары ${\displaystyle \mathbf {E} }$ и ${\displaystyle \omega }$ или же ${\displaystyle \mathbf {H} }$ и ${\displaystyle \omega }$ выполнение гармонического по времени уравнения Максвелла ротор-ротор, например,

${\displaystyle \nabla \times \epsilon ^{-1}\nabla \times \mathbf {E} =\mu \omega ^{2}\mathbf {E} }$

${\displaystyle \nabla \cdot \epsilon \mathbf {E} =0}$.

для пары ${\displaystyle \mathbf {E} }$ и ${\displaystyle \omega }$.

Типичные приложения - это вычисление полость моды (например, для полупроводниковых лазеров), плазмонный режимы и фотонный кристалл ленточные конструкции.

Теплопроводность

Омические потери электромагнитного поля могут вызвать нагрев, который распространяется по объекту и изменяет показатель преломления конструкции. Распределение температуры ${\displaystyle T}$ внутри органа регулируется уравнение теплопроводности

${\displaystyle \partial _{t}\left(c\rho T\right)=\nabla \cdot k\nabla T+q}$

куда ${\displaystyle c}$ - удельная теплоемкость, ${\displaystyle \rho }$ - массовая плотность, ${\displaystyle k}$ - теплопроводность, а ${\displaystyle q}$ - плотность теплового источника. Учитывая плотность теплового источника ${\displaystyle q}$ JCMsuite вычисляет распределение температуры ${\displaystyle T.}$ Тепловая конвекция или тепловое излучение внутри тела не поддерживаются. Температурный профиль может использоваться в качестве входных данных для оптических расчетов для учета температурной зависимости показателя преломления с точностью до линейного порядка.

Линейная эластичность

Нагрев из-за омических потерь может также вызвать механическое напряжение из-за теплового расширения. Это меняет двулучепреломление оптического элемента согласно фотоупругий эффект и, следовательно, может влиять на оптические характеристики. JCMsuite может решать линейные задачи механика сплошной среды. Уравнения линейной упругости следуют из принципа минимума упругой энергии

${\displaystyle \int _{\Omega }\epsilon _{ij}C_{ijkl}\left(\epsilon _{kl}-\epsilon _{kl}^{\text{init}}\right)-u_{i}F_{i}\rightarrow \min ,}$

при условии фиксированного или свободного смещения граничных условий. Величины - тензор жесткости ${\displaystyle C_{ijkl}}$, линейная деформация ${\displaystyle \epsilon _{ij}}$, заданная начальная деформация ${\displaystyle \epsilon _{ij}^{\text{init}}}$, смещение ${\displaystyle u_{i}}$ (из-за теплового расширения), а заданная сила ${\displaystyle F_{i}}$. Линейная деформация ${\displaystyle \epsilon _{ij}}$ относится к перемещению ${\displaystyle u_{i}}$ к ${\displaystyle \epsilon _{ij}={\frac {1}{2}}\left(\partial _{i}u_{j}+\partial _{j}u_{i}\right)}$. Вычисленную деформацию можно использовать в качестве входных данных для оптических расчетов для учета зависимости показателя преломления от напряжения. Стресс и напряжение связаны Модуль для младших.

Численный метод

JCMsuite полагается на метод конечных элементов. Детали численной реализации были опубликованы в различных статьях, например^[12]Производительность методов сравнивалась с альтернативными методами в различных тестах, например^[13][14]Благодаря достижимой высокой числовой точности JCMsuite использовался в качестве эталона для результатов, полученных с помощью аналитических (приближенных) методов, например^[15][11]

Рекомендации

1. Potzick, J .; и другие. (2008). Кавахира, Хироичи; Зурбрик, Ларри С. (ред.). «Международное сравнение ширины линий фотошаблона NIST и PTB». Proc. SPIE. Технология фотошаблонов 2008. 7122: 71222P. Bibcode:2008SPIE.7122E..2PP. Дои:10.1117/12.801435. S2CID  109487376.
2. Marlowe, H .; и другие. (2016). «Моделирование и эмпирическая характеристика поляризационного отклика внеплоскостных отражательных решеток». Appl. Opt. 55 (21): 5548–53. Bibcode:2016ApOpt..55,5548M. Дои:10.1364 / AO.55.005548. PMID  27463903.
3. Henn, M.-A .; и другие. (2016). «Оптимизация наноразмерной количественной оптической визуализации мишеней подпольного рассеяния». Опт. Латыш. 41 (21): 4959–4962. Bibcode:2016OptL ... 41.4959H. Дои:10.1364 / OL.41.004959. ЧВК  5815523. PMID  27805660.
4. Tezuka, Y .; и другие. (2007). Лерсель, Майкл Дж (ред.). «Эксперимент экспонирования EUV с использованием запрограммированных многослойных дефектов для уточнения моделирования возможности печати». Proc. SPIE. Новые литографические технологии XI. 6517: 65172М. Bibcode:2007SPIE.6517E..2MT. Дои:10.1117/12.711967. S2CID  123632929.
5. Beravat, R .; и другие. (2016). «Наведение, индуцированное скручиванием в фотонно-кристаллическом волокне без сердечника: спиральный канал для света». Sci. Adv. 2 (11): e1601421. Bibcode:2016SciA .... 2E1421B. Дои:10.1126 / sciadv.1601421. ЧВК  5262443. PMID  28138531.
6. Вонг, Г. К. Л .; и другие. (2012). "Возбуждение резонансов орбитального углового момента в спирально закрученном фотонном кристаллическом волокне". Наука. 337 (6093): 446–9. Bibcode:2012Sci ... 337..446W. Дои:10.1126 / science.1223824. PMID  22837523. S2CID  206542221.
7. Каунти, Ф .; и другие. (2007). «Генерация и фотонное наведение многооктавных оптико-частотных гребенок». Наука. 318 (5853): 1118–21. Bibcode:2007Sci ... 318.1118C. Дои:10.1126 / science.1149091. PMID  18006741. S2CID  32961022.
8. Щукин, В .; и другие. (2014). «Одномодовый лазер с поверхностным излучением с вертикальным резонатором через оксидно-апертурную инженерию утечки поперечных мод высокого порядка». IEEE J. Quantum Electron. 50 (12): 990–995. Bibcode:2014IJQE ... 50..990С. Дои:10.1109 / JQE.2014.2364544. S2CID  34205532.
9. Gschrey, M .; и другие. (2015). «Сильно неотличимые фотоны от детерминированных микролинз с квантовыми точками с использованием трехмерной электронно-лучевой литографии in situ». Nat. Сообщество. 6: 7662. arXiv:1312.6298. Bibcode:2015 НатКо ... 6,7662 г. Дои:10.1038 / ncomms8662. ЧВК  4518279. PMID  26179766.
10. Инь, G .; и другие. (2016). «Повышение поглощения света ультратонкими солнечными элементами из Cu (In1-xGax) Se2 с использованием плотно упакованных массивов наносфер 2-D SiO2». Материалы для солнечной энергии и солнечные элементы. 153: 124–130. Дои:10.1016 / j.solmat.2016.04.012.
11. Шапиро, Д .; и другие. (2016). «Оптическое поле и сила притяжения на субволновой щели». Опт. выражать. 24 (14): 15972–7. Bibcode:2016OExpr..2415972S. Дои:10.1364 / OE.24.015972. PMID  27410865.
12. Pomplun, J .; и другие. (2007). «Адаптивный метод конечных элементов для моделирования оптических наноструктур». Физика Статус Solidi B. 244 (10): 3419–3434. arXiv:0711.2149. Bibcode:2007ПССБР.244.3419П. Дои:10.1002 / pssb.200743192. S2CID  13965501.
13. Hoffmann, J .; и другие. (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. Дои:10.1117/12.828036. S2CID  54741011.
14. Maes, B .; и другие. (2013). «Моделирование высокодобротных оптических нанорезонаторов с постепенной 1D запрещенной зоной». Опт. выражать. 21 (6): 6794–806. Bibcode:2013OExpr..21.6794M. Дои:10.1364 / OE.21.006794. HDL:1854 / LU-4243856. PMID  23546062.
15. Бабичева, В .; и другие. (2012). «Локализованные поверхностные плазмонные моды в системе двух взаимодействующих металлических цилиндров». J. Opt. Soc. Являюсь. B. 29 (6): 1263. arXiv:1204.5773. Bibcode:2012JOSAB..29.1263B. Дои:10.1364 / JOSAB.29.001263. S2CID  2904452.