JCMsuite es un paquete de software de análisis de elementos finitos para la simulación y análisis de ondas electromagnéticas, elasticidad y conducción de calor. También permite un acoplamiento mutuo entre sus solucionadores ópticos, de conducción de calor y de mecánica continua. El software se aplica principalmente para el análisis y optimización de sistemas nanoópticos y microópticos. Sus aplicaciones en proyectos de investigación y desarrollo incluyen sistemas de metrología dimensional , [1] [2] [3] sistemas fotolitográficos , [4] fibras de cristal fotónico , [5] [6] [7] VCSEL , [8] emisores de puntos cuánticos ,[9] captura de luz en células solares , [10] y sistemas plasmónicos . [11] Las tareas de diseño pueden integrarse en los lenguajes de scripting de alto nivel MATLAB y Python , lo que permite un scripting de configuraciones de diseño para definir problemas dependientes de parámetros o para ejecutar análisis de parámetros.
Tipo | Empresa privada |
---|---|
Industria | Software de ordenador |
Fundado | Berlín, Alemania (2001) |
Sede | Berlín, Alemania |
Productos | JCMsuite |
Sitio web | jcmwave |
Desarrollador (es) | JCMwave GmbH |
---|---|
Lanzamiento estable | 4.2.1 / 11 de septiembre de 2020 |
Sistema operativo | Windows , Linux |
Tipo | Ingeniería asistida por computadora Análisis de elementos finitos |
Licencia | EULA propietario |
Sitio web | jcmwave |
Clases de problemas
JCMsuite permite tratar varios modelos físicos (clases de problemas).
Dispersión óptica
Los problemas de dispersión son problemas en los que se da la geometría del índice de refracción de los objetos, se conocen las ondas incidentes así como (posiblemente) las fuentes interiores y se tiene que calcular la respuesta de la estructura en términos de ondas reflejadas, refractadas y difractadas. El sistema se describe mediante la ecuación de Maxwell armónica en el tiempo
- .
para fuentes dadas (densidades de corriente, por ejemplo, dipolos eléctricos) y campos incidentes. En los problemas de dispersión, se considera el campo exterior al objeto de dispersión como una superposición de campos fuente y dispersos. Dado que los campos dispersos se alejan del objeto, tienen que satisfacer una condición de radiación en el límite del dominio computacional. Para evitar reflejos en los límites, se modelan mediante el método matemático riguroso de una capa perfectamente adaptada (PML).
Diseño de guía de onda óptica
Las guías de ondas son estructuras que son invariantes en una dimensión espacial (por ejemplo, en la dirección z) y estructuradas arbitrariamente en las otras dos dimensiones. Para calcular los modos de guía de ondas, la ecuación rizo-rizo de Maxwell se resuelve de la siguiente forma
Debido a la simetría del problema, el campo eléctrico se puede expresar como producto de un campo dependiendo solo de la posición en el plano transversal y un factor de fase. Dada la permeabilidad, permitividad y frecuencia, JCMsuite encuentra pares del campo eléctrico y la constante de propagación correspondiente (número de onda) . JCMsuite también resuelve la formulación correspondiente para el campo magnético. Un cálculo de modo en sistemas de coordenadas cilíndricos y retorcidos permite calcular el efecto de la flexión de la fibra.
Resonancias ópticas
Los problemas de resonancia son problemas en 1D, 2D o 3D donde se da la geometría del índice de refracción de los objetos resonantes y las frecuencias angulares y deben calcularse los campos de resonancia correspondientes. No hay ondas incidentes ni fuentes interiores. JCMsuite determina pares de y o y cumpliendo la ecuación rizo-rizo armónico de tiempo de Maxwell, por ejemplo,
- .
por un par de y .
Las aplicaciones típicas son el cálculo de modos de cavidad (por ejemplo, para láseres semiconductores), modos plasmónicos y estructuras de bandas de cristal fotónico .
Conduccion de calor
Las pérdidas óhmicas del campo electromagnético pueden provocar un calentamiento, que se distribuye sobre el objeto y cambia el índice de refracción de la estructura. La distribución de temperaturadentro de un cuerpo se rige por la ecuación del calor
dónde es la capacidad calorífica específica, es la densidad de masa, es la conductividad del calor, y es una densidad de fuente térmica. Dada una densidad de fuente térmica JCMsuite calcula la distribución de temperatura La convección de calor o la radiación de calor dentro del cuerpo no son compatibles. El perfil de temperatura se puede utilizar como entrada para cálculos ópticos para tener en cuenta la dependencia de la temperatura del índice de refracción hasta un orden lineal.
Elasticidad lineal
Un calentamiento debido a pérdidas óhmicas también puede inducir tensión mecánica a través de la expansión térmica. Esto cambia la birrefringencia del elemento óptico según el efecto fotoelástico y, por tanto, puede influir en el comportamiento óptico. JCMsuite puede resolver problemas lineales de mecánica continua . Las ecuaciones que gobiernan la elasticidad lineal se derivan del principio mínimo para la energía elástica
sujeto a condiciones de frontera de desplazamiento libre o fijo. Las cantidades son el tensor de rigidez, la deformación lineal , la cepa inicial prescrita , el desplazamiento (debido a la expansión térmica), y la fuerza prescrita . La deformación lineal se relaciona con el desplazamiento por . La deformación calculada se puede utilizar como entrada para cálculos ópticos para tener en cuenta la dependencia de la tensión del índice de refracción. La tensión y la deformación están relacionadas por el módulo de Young .
Método numérico
JCMsuite se basa en el método de elementos finitos . Los detalles de la implementación numérica se han publicado en varias contribuciones, por ejemplo, [12] El rendimiento de los métodos se ha comparado con métodos alternativos en varios puntos de referencia, por ejemplo, [13] [14] Debido a la alta precisión numérica alcanzable, JCMsuite se ha utilizado como referencia para los resultados obtenidos con métodos analíticos (aproximados), p. ej. [15] [11]
Referencias
- ^ Potzick, J .; et al. (2008). Kawahira, Hiroichi; Zurbrick, Larry S (eds.). "Comparación de ancho de línea de fotomáscara internacional por NIST y PTB". Proc. SPIE . Photomask Technology 2008. 7122 : 71222P. Código Bibliográfico : 2008SPIE.7122E..2PP . doi : 10.1117 / 12.801435 . S2CID 109487376 .
- ^ Marlowe, H .; et al. (2016). "Modelización y caracterización empírica de la respuesta de polarización de rejillas de reflexión fuera del plano". Apl. Opt . 55 (21): 5548–53. Código bibliográfico : 2016ApOpt..55.5548M . doi : 10.1364 / AO.55.005548 . PMID 27463903 .
- ^ Henn, M.-A .; et al. (2016). "Optimización de la imagen óptica cuantitativa a nanoescala de objetivos de dispersión de subcampo" . Optar. Lett . 41 (21): 4959–4962. Código bibliográfico : 2016OptL ... 41.4959H . doi : 10.1364 / OL.41.004959 . PMC 5815523 . PMID 27805660 .
- ^ Tezuka, Y .; et al. (2007). Lercel, Michael J (ed.). "Experimento de exposición EUV utilizando defectos multicapa programados para refinar la simulación de imprimibilidad". Proc. SPIE . Tecnologías litográficas emergentes XI. 6517 : 65172M. Código Bibliográfico : 2007SPIE.6517E..2MT . doi : 10.1117 / 12.711967 . S2CID 123632929 .
- ^ Beravat, R .; et al. (2016). "Guiado inducido por torsión en fibra de cristal fotónico sin núcleo: un canal helicoidal para la luz" . Sci. Adv . 2 (11): e1601421. Código bibliográfico : 2016SciA .... 2E1421B . doi : 10.1126 / sciadv.1601421 . PMC 5262443 . PMID 28138531 .
- ^ Wong, GKL; et al. (2012). "Excitación de resonancias de momento angular orbital en fibra de cristal fotónico trenzado helicoidalmente". Ciencia . 337 (6093): 446–9. Código bibliográfico : 2012Sci ... 337..446W . doi : 10.1126 / science.1223824 . PMID 22837523 . S2CID 206542221 .
- ^ Couny, F .; et al. (2007). "Generación y orientación fotónica de peines de frecuencia óptica de múltiples octavas". Ciencia . 318 (5853): 1118–21. Código Bibliográfico : 2007Sci ... 318.1118C . doi : 10.1126 / science.1149091 . PMID 18006741 . S2CID 32961022 .
- ^ Shchukin, V .; et al. (2014). "Láser emisor de superficie de cavidad vertical monomodo a través de ingeniería de apertura de óxido de fuga de modos transversales de alto orden". IEEE J. Quantum Electron . 50 (12): 990–995. Código bibliográfico : 2014IJQE ... 50..990S . doi : 10.1109 / JQE.2014.2364544 . S2CID 34205532 .
- ^ Gschrey, M .; et al. (2015). "Fotones altamente indistinguibles de microlentes de puntos cuánticos deterministas que utilizan litografía de haz de electrones in situ tridimensional" . Nat. Comun . 6 : 7662. arXiv : 1312.6298 . Código Bibliográfico : 2015NatCo ... 6.7662G . doi : 10.1038 / ncomms8662 . PMC 4518279 . PMID 26179766 .
- ^ Yin, G .; et al. (2016). "Mejora de la absorción de luz para celdas solares ultrafinas de Cu (In1 − xGax) Se2 utilizando matrices de nanoesferas 2-D SiO2 compactas" . Materiales de energía solar y células solares . 153 : 124-130. doi : 10.1016 / j.solmat.2016.04.012 .
- ^ a b Shapiro, D .; et al. (2016). "Campo óptico y fuerza de atracción en la hendidura de sublongitud de onda" . Optar. Expreso . 24 (14): 15972–7. Código Bib : 2016OExpr..2415972S . doi : 10.1364 / OE.24.015972 . PMID 27410865 .
- ^ Pomplun, J .; et al. (2007). "Método adaptativo de elementos finitos para la simulación de nanoestructuras ópticas". Physica Status Solidi B . 244 (10): 3419–3434. arXiv : 0711.2149 . Código Bibliográfico : 2007PSSBR.244.3419P . doi : 10.1002 / pssb.200743192 . S2CID 13965501 .
- ^ Hoffmann, J .; et al. (2009). Bosse, Harald; Bodermann, Bernd; Silver, Richard M (eds.). "Comparación de solucionadores de campos electromagnéticos para el análisis 3D de nano antenas plasmónicas". Proc. SPIE . Aspectos de modelización en metrología óptica II. 7390 : 73900J. arXiv : 0907.3570 . Código bibliográfico : 2009SPIE.7390E..0JH . doi : 10.1117 / 12.828036 . S2CID 54741011 .
- ^ Maes, B .; et al. (2013). "Simulaciones de nanocavidades ópticas de alta Q con una banda prohibida 1D gradual" . Optar. Expreso . 21 (6): 6794–806. Código Bibliográfico : 2013OExpr..21.6794M . doi : 10.1364 / OE.21.006794 . hdl : 1854 / LU-4243856 . PMID 23546062 .
- ^ Babicheva, V .; et al. (2012). "Modos de plasmones de superficie localizados en un sistema de dos cilindros metálicos que interactúan". J. Opt. Soc. Soy. B . 29 (6): 1263. arXiv : 1204.5773 . Código bibliográfico : 2012JOSAB..29.1263B . doi : 10.1364 / JOSAB.29.001263 . S2CID 2904452 .