JCMsuite纳米光学仿真分析软件介绍与工程应用

JCMsuite纳米光学仿真分析软件介绍与工程应用

JCMsuite是一款来自德国JCMwave公司、最适于复杂纳米光学系统的仿真和设计软件。它利用最先进的技术，为光学、连续介质力学和热传导问题提供快速准确的数值求解。它提供易用的脚本环境、可集成分析工具（如MATLAB、Python等）、机器学习优化技术等功能。在光学系统设计、集成光学、纳米光学等科技领域有着普遍应用，其技术应用及服务由积社科技（JService Tech）实施。

JCMsuite是一款功能强大且灵活的仿真计算软件，最适于复杂纳米光学系统的仿真和设计。它利用最先进的技术，为光学、连续介质力学和热传导问题提供快速准确的数值求解。JCMsuite为您提供易用的脚本环境使用界面，并能完全集成在数据分析工具包中，且通过最新的机器学习技术优化您的光学系统。在光学系统设计、集成光学、纳米光学等科技领域有着普遍应用，其技术应用及服务由积社科技（JService Tech）实施。

一、复杂光学系统的仿真

JCMsuite是一个完整且易用的有限元计算软件，用于计算复杂纳米光学系统中的电磁波、弹性和热传导。基于数学和计算科学理论，JCMsuite拥有极短的计算时间、紧凑的数据空间需求和高度可靠性。

二、分析和优化

JCMsuite包含用于高效地分析和优化纳米光学器件或其他光学系统特性的工具。高级的机器学习技术可以有效地搜寻最佳设计，并显著缩短开发时间。

三、JCMsuite技术

JCMsuite是基于先进的数学方法和计算科学技术。它利用有限元方法（FEM）的强大功能和灵活性来实现快速准确的仿真计算，并使用最新的机器学习技术来优化复杂的光学系统。

1、CAD和网格划分工具

JCMsuite几何创建和网格划分工具专门用于光子应用。

⏹形状和几何形状：可以使用线性或弯曲单元创建各种CAD几何图形，例如2D

和3D基元、挤出、圆角形状和自由形状等。

⏹对称性：通过定义周期性、镜像对称网格或通过在圆柱和扭曲坐标系中操作，可

以大大减少计算时间。

⏹无限结构：支持多层、分层外部域和波导结构。

⏹自适应网格：自动网格细化。角点和标准的网格细化就可进行高度精度的计算。

2、Hp-FEM求解器

有限元法（FEM）为解决科学和技术挑战提供了一种通用、严谨、功能全面且非常快速的方法。

⏹问题类型：JCMsuite能完美解决光学散射问题、波导设计问题、光学谐振问题

以及线弹性问题、热传导问题和这些类型的任何耦合问题的时谐麦克斯韦方程。

⏹自动数值设置：依赖于基于残差的误差估计，自动选择各种数值设置，例如有限

元度和PML设置（完美匹配层）。

⏹材料和源：可以定义各种材料属性，例如复杂和各向异性材料介电常数和磁导率

张量、分散特性、导热系数和刚度等。可以通过如平面波、周期性或孤立的偶极子、波束和波导模式来激励结构。

⏹后处理：特别支持和有效计算光学中所有必需的后处理，如傅立叶变换、远场、

能量通量、重叠积分、光学成像、共振膨胀和Purcell因子等。

3、分析和优化工具包

机器学习技术可以有效地分析和优化光学系统的性能。

⏹优化：贝叶斯优化是一种高效的优化方法，能以更短的计算时间开发高性能设备。

其他支持的优化方法包括Downhill Simplex优化，粒子群优化(particle swarm optimization)，差分进化（differential evolution）和L-BFGS-B方法。

⏹积分：基于高斯过程，可以用相对较少的模拟结果计算参数积分。

⏹预测：在学习阶段之后，可以针对未知参数预测光学系统的性能。

四、应用领域

1、纳米结构材料

JCMsuite允许设计和分析新纳米结构材料的光学性质。如等离子体材料、手性材料、光子晶体和准晶体、超材料、粗糙界面、纳米复合材料等等。

2、波导和光纤

JCMsuite计算各种波导的波导模式和相应的传播常数，包括单模和多模光纤、光子晶体光纤、微结构光纤、集成光波导、等离子体波导。圆柱和扭曲坐标系中的模式计算可严格计算波导弯曲的影响。

3、光伏

JCMsuite支持提高光伏效率的所有方面：层结构和材料成分的效率分析、随机和微结构层的影响、背反射和表面、规则或随机分布等离子体粒子的等离子体效应和包括频率转换在内的非线性效应。

4、计算光刻

JCMsuite允许完整的光学模拟链：复杂照明的描述、通过光学成像系统和光掩模传播的光场计算、直到光刻胶中的图像形成。

5、计算计量

周期大于照明波长一半的结构的光学计量已成为标准的计量技术。然而，快速和严格的模拟技术以及设计的测量装置的发展产生了在深亚波长范围内的光学计量方法。

6、光源

诸如激光二极管、VCSEL、LED、OLED和单光子源的光源是光学器件的基本构建单元。JCMsuite可以有效地模拟和优化其光学特性，包括远场分布、光纤耦合效率和热透镜效应。