lumerical suite 2018a 64位

　　lumerical 2018a是一款非常实用且功能完善的模拟光学仿真软件，能够为光子设计师提供具有创造性，高精确度和成本效益的设计解决方案，内置的INTERCONNECT光子集成电路仿真器的最新增强功能改善了电子和光子集成以及协同仿真，从而可以在既定的设计工作流程中对更复杂的光电器件和芯片规模效应进行原型设计和优化；该功能对于模拟具有电子驱动器，控制器和接收器的集成光子系统至关重要，并且是Lumerical不断开发的主题；该模块中需要注意的其它功能包括支持不同的硬判决和软判决算法的前向纠错(FEC)编码和解码元素；新版本将有限元光学求解器DEVICE DGTD引入了Lumerical的仿真引擎产品组合，并对DEVICE的3D CAD框架进行了重大改进;该程序还保持对一流工作流程集成的特性，在其INTERCONNECT光子集成电路仿真套件中增加了强大的电子/光子协同仿真功能，这些进步共同为设计人员提供了一整套工具，以应对日益复杂的光子组件和更高水平的电路集成带来的设计挑战；需要的用户可以下载体验

软件功能

　　Lumerical DEVICE version

　　DEVICE是设计、分析和优化半导体光电子器件的超强半导体TCAD 器件仿真软件，DEVICE应用工业界验证的漂移扩散方程对半导体中载流子进行静态和瞬态建模。

　　使用高级的有限元网格生成算法，DEVICE软件能够有效地处理任意几何形状，可以精确地仿真创新的集成光电子设计。

　　Lumerical FDTD Solutions version

　　FDTD Solutions 是一款三维麦克斯韦方程求解软件，可以分析紫外、可见、红外至太赫兹和微波频率段电磁波与具有亚波长典型尺寸复杂结构的相互作用。

　　Lumerical INTERCONNECT version

　　IINTERCONNECT 是一款集成光子线路设计软件，利用其树形分布的示意符号可以简便、可靠地设计、仿真和分析复杂和大型光子集成线路。

　　Interconnect是一个光-电和光子集成线路(PIC)设计软件包，可以用于设计、模拟仿真和分析包含马赫-曾德尔调制器、耦合环形谐振腔和阵列波导光栅等在内的集成光路、硅基光子学器件和光互联系统，

　　它同时含有时域和频域仿真器.时域仿真是通过数据流系统仿真器进行的,因此比传统的时间离散或时间驱动的模拟器更具灵活性。

　　Lumerical MODE Solutions version

　　MODE Solutions 拥有特征模式计算以及长距离光场传播的各种仿真方法，是一款设计、分析、优化波导结构的理想工具。特征模式计算引擎可以计算任意形状波导中导模的物理特性；

软件特色

　　光子器件设计与仿真：FDTD Solutions

　　FDTD Solutions 是一款三维麦克斯韦方程求解软件，可以分析紫外、可见、红外至太赫兹和微波频率段电磁波与具有亚波长典型尺寸复杂结构的相互作用。

　　FDTD Solutions 使得设计师能够从容地面对光子设计复杂的挑战问题。快速原型制造和高精度仿真大大降低对费用高昂的原型试验的依赖，因而可以对设计概念进行快速评价，进而缩短产品研发周期，降低费用。

　　波导求解和传播模拟：MODE Solutions

　　MODE Solutions 拥有特征模式计算以及长距离光场传播的各种仿真方法，是一款设计、分析、优化波导结构的理想工具。

　　与Lumerical 的光电子仿真软件DEVICE组合使用，MODE Solutions 为设计和分析主动器件，如高速光电子调制器等提供强力仿真工具。

　　Lumerical 的FDTD Solutions、INTERCONNECT 和 DEVICE以及 MODE Solutions 是综合光子设计和分析工具的关键组成部分。

　　半导体光子器件模拟：DEVICE

　　DEVICE应用工业界验证的漂移扩散方程对半导体中载流子进行静态和瞬态建模。使用高级的有限元网格生成算法，DEVICE软件能够有效地处理任意几何形状，可以精确地仿真创新的集成光电子设计。

　　DEVICE为用户提供了一套完整的工具来设计和评估半导体器件，包括集总过程的模拟，全面的材料物理模型，以及强大稳健的器件模拟数值算法。

　　光子芯片仿真：INTERCONNECT

　　INTERCONNECT 是一款集成光子线路设计软件，利用其树形分布的示意符号可以简便、可靠地设计、仿真和分析复杂和大型光子集成线路。

　　INTERCONNECT 支持时间域和频率域分析。时间域仿真使用数据流系统仿真器，因而比传统的离散时间或者时间驱动仿真器更具灵活性。频率域仿真使用散射数据分析计算系统的响应。用多功能可视化 工具很容易分析线路特性，如振幅、位相、群延迟和色散等。

安装步骤

　　1、用户可以点击本网站提供的下载路径下载得到对应的程序安装包

　　2、只需要使用解压功能将压缩包打开，大家可以根据需要选择安装应用程序，小编加载Lumerical DEVICE version 7.1.1584.iso,运行里面的DEVICE_Installer.exe

　　3、可以加载Lumerical FDTD Solutions version 8.19.1584.iso,运行里面的FDTD_Solutions_Installer.exe

　　4、由于四个工具的安装激活步骤是一样的，小编这里以Lumerical MODE Solutions version 11.1584为例制作教程,在上面点instal完成安装软件运行环境后，进入安装界面，点next继续

　　5、弹出以下界面，用户可以直接使用鼠标点击下一步按钮

　　6、安装完成后，打开Crack文件夹，复制”Lumerical-FlexLM”文件夹到软件安装目录中默认路径C:\Program Files\Lumerical

　　7、右键管理员身份运行Lumerical-FlexLM内的“server_install.bat”，安装”LUMERICAL License Server”服务

　　8、复制FDTD/MODE /INTERCONNECT/DEVICE文件夹内的netapi32.dll补丁复制到到安装目录下

　　默认路径C:\Program Files\Lumerical\MODE\bin

　　9、然后双击”SolidSQUADLoaderEnabler.reg”添加注册表。

　　10、接着运行Configure DEVICE License，或者运行 “Configure FDTD License” ，”Configure INTERCONNECT License” ，”Configure MODE License”如果四个工具你都安装了，那么这四个运行一个就可以了，许可信息配置一次就可以了。

　　11、在许可证配置面板，选择浮动”Floating”，服务器Server: localhost端口Port：27011勾选

　　12、完成以上操作步骤后，就可以双击应用程序将其打开，此时您就可以得到对应程序

使用说明

　　于许多依赖与变化的宽带光源进行交互的应用（例如太阳能电池，CMOS图像传感器或热传感器），设备性能可能会严重取决于照明条件-入射到设备上的光的强度，角度和频率。设计人员依靠仿真工具来深入了解控制设备性能的复杂光-物质相互作用，并在广泛的频率和照明角度范围内优化工作特性。由于常规模拟边界条件的限制，许多光子设计工具不太适合模拟非正常照明条件。这些限制给设备设计人员带来了仿真速度和准确性方面的挑战。本文档讨论了其中一些模拟挑战，

　　具有非垂直入射角的周期系统

　　模拟具有周期性特征的设备的最有效方法是在模拟域中仅包含一个单位单元。可以将具有平面波源的周期性边界条件应用于单个晶胞，以计算具有任意数量的相同晶胞的系统的响应。该方法对于以垂直入射方向传播到设备表面的平面波效果很好。但是，对于以一定角度入射到表面的平面波，需要进行特殊处理。一种典型的方法是使用Bloch边界条件。布洛赫边界条件虽然在单个频率上有效，但是当应用于包含多个频率的平面波时，由于注入角随频率变化，因此存在很大的局限性。此效果如图1所示。

　　面波源注入的场在所有频率下具有恒定的平面波矢量。（a）显示标称注入角为45度（紫色箭头）的离子源。选择面内波矢量（绿色虚线），以使模拟中心频率处的实际喷射角与标称喷射角匹配。由于波矢的大小与频率成正比，因此实际喷射角随频率而变化，如（b）所示。

　　结果，尽管Bloch边界在窄带仿真中效果很好，但如果不将误差引入计算，就无法将其应用于宽带仿真。克服这种限制的一种方法是简单的蛮力。对每个入射角运行一系列单波长模拟。暴力方法的弊端是不言而喻的：它导致大量的仿真和很长的时间来计算所需的响应。

　　Lumerical的宽带固定角源技术（BFAST）

　　使用Bloch边界条件的另一种解决方案是重新构造FDTD算法并消除注入角的波长依赖性。Lumerical已实现了一种基于分裂场方法[1、2]的方法，并对其进行了扩展，以确保它与多系数材料（MCM）模型兼容，该模型可精确描述宽波长范围内的光学材料特性，并且保形网格。通过BFAST进行的分析以及与常规Bloch边界条件分析的比较，将在以下各节中通过选择应用示例进行展示。

　　BFAST分析应用实例

　　电介质叠层

　　为了展示BFAST的优势，请考虑图2所示的四层电介质堆叠，其传输可以使用转移矩阵法来计算。

　　图3显示了分别使用Bloch边界条件，BFAST和传输矩阵方法通过FDTD计算出的传输响应随波长和光源角度的变化。由于注入角的波长依赖性，使用布洛赫边界和宽带照明的结果与理论有很大不同。BFAST仿真结果与理论谱密切相关。

　　使用块边界，理论和BFAST计算得出的四层介质堆叠的宽带传输。光谱显示为波长和注入角的函数。

　　尽管BFAST消除了注入角的波长依赖性，但仍需要注意一些性能方面的注意事项。与Bloch边界相比，由于针对BFAST实现的FDTD算法的变化，与BFAST相比，与BFAST相关的计算开销较小。虽然对于小型仿真通常可以忽略不计，但在某些情况下，开销可能会使仿真时间最多增加4倍，具体取决于仿真大小，材料类型和处理器。另一个考虑因素是，随着喷射角的增加，BFAST的仿真时间将显着增加。由于随着喷射角的增加保持稳定性所需的模拟时间步长的减少，模拟时间增加。表1显示了这种依赖性的影响。

　　使用BFAST模拟电介质堆栈所需的模拟时间。所示时间是相对于法向入射下运行相同模拟所需的时间。

　　即使增加了与BFAST实现方式相关的计算开销，对于宽带仿真，使用BFAST而不是使用Bloch边界运行单波长仿真仍然可以显着提高性能。此外，借助BFAST，几乎无需增加任何计算成本就可以任意提高波长分辨率。

　　层状等离子光栅

　　基于参考的等离激元光栅设计。[3]，特征是带有狭窄和深沟槽的金表面。（b）使用BFAST计算的宽带反射光谱

　　图4所示的等离激元光栅被设计为在一定的照明角度范围内，在3.2µm波长下可作为理想的吸收体。当优化层状光栅设备时，类似于图4b的高分辨率图像非常适合优化光栅设计，因为它可以捕获窄光谱特征和光谱的强角度依赖性。使用带有Bloch边界条件的蛮力方法生成图4b需要大量的模拟。此处，BFAST可用于显着减少仿真次数，尤其是在中等角度下，无需保持仿真时间步长显着减少即可保持仿真稳定。对于等离子应用，例如层状光栅，

　　超材料吸收剂可用于需要光谱选择性的红外传感应用。这些吸收器的一般结构是夹在顶部金属亚波长结构和高反射率后视镜之间的薄介电层。吸收共振的位置取决于顶层的几何形状和电介质的厚度。当激发正确的模式时，共振的频谱位置不会随入射角而发生变化[5]。对于红外传感器来说，这是非常需要的功能，因为检测到的光通常来自许多不同的方向。为了验证所需的吸收光谱对于非法线入射角具有鲁棒性，

　　具有纳米级金属颗粒的硅薄膜太阳能电池。（b）以0度和30度的注入角传输到硅层中的功率表明，太阳能电池的性能在很大程度上取决于照明角度。可以看到，如果光谱中没有足够的分辨率，则会错过重要的光谱特征。

　　对于太阳能电池，宽带模拟对于优化在许多不同照明角度下整个太阳光谱的吸收至关重要，以便针对相对于太阳的所有位置和方向收集尽可能多的光。为了证明BFAST对于这种设计问题的价值，图6b显示了传输到等离激元太阳能电池的硅基板中的功率[6]。对于30度的注入角，使用BFAST计算整个光谱响应需要30分钟。相比之下，使用Bloch边界进行的仿真对于所计算的13个波长中的每一个都花费了7分钟，以产生图6b中的结果，并且光谱信息明显丢失。要获得BFAST提供的相同分辨率，使用Bloch边界将花费超过一天的计算时间。

　　摘要

　　对于需要在变化的照明条件下工作的光子设备，Lumerical的BFAST可以通过每个角度的单个模拟有效地获得准确的宽带结果，与限于窄带频率的替代分析方法相比，极大地减少了模拟时间。诸如等离子太阳能电池或超材料传感器阵列之类的设备的高精度表征和优化可以在数分钟而不是数小时或数天的时间内完成。尽管BFAST为涉及中等角度的广谱分析提供了显着的性能提升，但对于窄带操作和陡峭的入射角的分析却获得了显着的性能提升，但由于BFAST需要更长的模拟时间，因此应考虑使用传统的Bloch边界。要获得真正强大而准确的分析工具包，

　　使用多系数建模来生成准确的时域模型

　　从高容量光网络到板级和芯片级互连，集成光子技术已成为下一代通信的关键推动力之一，它有望实现高带宽，低功耗以及经济高效的制造。该技术还在诊断和其他与卫生保健相关的应用，环境传感，物联网（IoT），增强和虚拟现实（AR / VR）以及量子计算中显示出希望。

　　尽管集成光子学的潜力已被广泛记录，但可靠的批量生产的设计方法仍处于起步阶段。为了进一步提高采用率，并使集成光子学能够在如图1所示的应用程序中实现低成本的批量生产，我们需要能够实现首次正确设计的设计工具和框架。在制造之前确保准确的设备设计减少了昂贵的开发周期，并缩短了上市时间，这在当今快速发展的技术领域中通常是至关重要的竞争优势。

　　如今，光子电路由相对少量的单个构件组成，例如耦合器，波导，分离器，滤波器，反射器，调制器和检测器。对于大多数光子构建块，特别是无源元件，开发行为模型或紧凑模型进行电路仿真非常简单[ 1 ]。

　　有源设备，特别是集成激光器的建模仍然是一个严峻的挑战。与III-V材料系统不同，由于硅的间接带隙，在硅中创建增益部分非常具有挑战性。多年来，已经在将增益介质与硅光子电路集成的方法上进行了大量研究和开发投资。为了实现将光源与集成光子学设计紧密集成的目标，正在研究包括多芯片设计，直接键合或在硅上生长辅助材料系统在内的各种方法。在这些架构中，激射腔是集成电路本身的一部分，并且激光不再被理解为分立组件。在全面的电路仿真和设计工作流程中纳入激光模型变得很重要。在这些设计中，要检查的关键性能特征之一是从光子集成电路反射回激光腔的反射。在激光器与集成电路之间没有光学隔离的设计中，背反射的影响尤其重要，因为反射会降低激光器的性能。为了精确捕获激光器的全部动态特性，包括可调性，载流子和光子动力学特性，将一维行波模型用于激光器的增益部分。 图3 概述了如何使用该模型来检查自洽可调谐混合激光腔设计，该设计包括与III-V增益段配合工作的无源和可调谐波导，分离器和布拉格光栅。

　　使用Lumerical的INTERCONNECT之类的光电路模拟器在一维中进行时域激光建模需要精确的时域滤波，以表示材料或模态增益的频率依赖性。另外，时域滤波器必须随一维空间元素中的载波密度而变化。因此，滤波器必须复制一系列根据载波密度变化的增益频谱曲线。

　　一种方法是使用有限脉冲响应（FIR）滤波器，并随载波密度改变滤波器系数，以使滤波器的传递函数在其各自的载波密度处匹配增益曲线。通过增加滤波器抽头的数量，可以提高传递函数的精度。这种方法带来了挑战，因为任何FIR滤波器都会引入延迟（随着滤波器抽头数量的增加），进而会影响群时延，群时延是激光器和其他谐振系统中的关键参数。

　　另一种选择是用洛伦兹近似法估计激光器的材料或模态增益曲线，该曲线可以在时域中实现为无限脉冲响应滤波器（IIR），并与峰值幅度，峰值频率和宽度（或品质因数）拟合）的实验或理论增益曲线系列。可以使三个洛伦兹拟合参数根据载流子密度而变化。该方法面临挑战，因为即使在简单的Fabry-Perot激光器可以工作的增益曲线峰值附近，实际的激光增益曲线也不一定是洛伦兹形状的。

　　另一种方法是尝试使用其他类型的带通滤波器（例如Bessel，Butterworth或Chebyshev滤波器）将其峰值附近的增益曲线拟合，然后使用双线性变换从连续时间滤波器（可选）中生成离散时间IIR滤波器。采用频率预变形。这种方法的确为模拟增益曲线的精确形状提供了更大的灵活性，但是它仍然无法为任意增益曲线形状提供精确的拟合。

　　在设计DFB，DBR和更复杂的外腔激光器时，激射频率取决于外腔提供的纹理和/或共振，而不是激光增益曲线的峰值。这仅通过改变外部谐振而无需调整增益材料（即材料系统和量子阱结构）即可制造和集成以不同波长工作的激光器。对于工作波长变化或在单个系统中使用多个激光器的不同波长的设计（例如，波分复用（WDM）电信链路），要求通过IIR时域滤波器近似任意形状的增益曲线，在很宽的频率范围内都是准确的。

　　为了解决集成光子学中激光建模的要求以及本文档中概述的常见方法的缺点，INTERCONNECT实现了Lumerical专有的多系数拟合算法的扩展版本，可以将所需的IIR时域滤波器脉冲响应谱直接拟合为任意形状的增益曲线。多系数模型也已扩展为可同时拟合一系列增益曲线，这些曲线会根据某些标量输入参数（例如，在激光建模的情况下的载流子密度）而变化。滤波器在标量参数的相应值处再现目标频率响应，并在中间值处插入响应，如图4所示。图3中的目标响应来自Ma等人的增益曲线。在[2 ]。

　　将时域滤波器拟合为任意形状的频率响应的功能在拟合激光增益曲线和激光建模之外的许多应用中都很有用。Lumerical的光子电路仿真器INTERCONNECT中的多系数拟合功能对于使用s参数（复数传输系数）描述依赖于单个标量控制参数的任何线性光学或电气组件特别有用。多系数拟合算法可通过减少FIR滤波器引入的时延误差，自动生成IIR滤波器，从而实现更精确的时域仿真。该方法学可用于在集成光子设计中对集成激光器的效果进行建模，并在INTERCONNECT中快速创建时域元素，然后将其用于设计，