JCMsuite

JCMwave GmbH

Тип компании	Частная компания
Промышленность	Компьютерное программное обеспечение
Основан	Берлин, Германия (2001)
Штаб-квартира	Берлин, Германия
Продукты	JCMsuite
Веб-сайт	jcmwave .с

JCMsuite

Разработчик(и)	JCMwave GmbH
Стабильная версия	5.4.3 / 9 апреля 2023 г ( 09.04.2023 )
Операционная система	Винда , Линукс
Тип	Компьютерное проектирование Конечно-элементный анализ
Лицензия	Собственное лицензионное соглашение
Веб-сайт	jcmwave .с /jcmsuite

JCMsuite — это пакет программного обеспечения для анализа методом конечных элементов, предназначенный для моделирования и анализа электромагнитных волн, упругости и теплопроводности. Он также обеспечивает взаимную связь между решающими устройствами в области оптики, теплопроводности и механики сплошной среды. Программное обеспечение в основном применяется для анализа и оптимизации нанооптических и микрооптических систем. Его применение в проектах исследований и разработок включает в себя системы размерной метрологии , фотолитографические системы , фотонно-кристаллические волокна , VCSEL , излучатели квантовых точек , улавливание света в солнечных элементах , и плазмонные системы . Задачи проектирования могут быть встроены в языки сценариев высокого уровня MATLAB и Python , что позволяет создавать сценарии конфигураций проекта для определения проблем, зависящих от параметров, или для запуска сканирования параметров.

Классы проблем

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 с точки зрения отраженных, преломленных и дифрагированных волн. Система описывается гармоническим уравнением Максвелла.

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

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

для данных источников $\mathbf {J}$ (плотности тока, например, электрические диполи) и падающие поля. В задачах рассеяния поле, внешнее по отношению к рассеивающему объекту, рассматривается как суперпозиция полей источника и рассеянного поля. 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 согласованного слоя (PML).

Проектирование оптического волновода

Волноводы — это структуры, которые инвариантны в одном пространственном измерении (например, в направлении z) и произвольно структурированы в двух других измерениях. Для расчета мод волновода уравнение ротора Максвелла решается в следующей форме:

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

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

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

Оптические резонансы

Резонансные задачи — это задачи в 1D, 2D или 3D, где задана геометрия показателя преломления резонирующих объектов, а угловые частоты $\omega$ и необходимо вычислить соответствующие резонирующие поля. Падающих волн или внутренних источников нет. JCMsuite определяет пары $\mathbf {E}$ и $\omega$ или $\mathbf {H}$ и $\omega$ выполняя уравнение вихря-завитка Максвелла, гармоническое по времени, например,

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

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

за пару $\mathbf {E}$ и $\omega$.

Типичными приложениями являются расчет мод резонатора (например, для полупроводниковых лазеров), плазмонных мод и фотонно -кристаллических зонных структур.

Теплопроводность

Омические потери электромагнитного поля могут вызвать нагрев, который распространяется по объекту и изменяет показатель преломления конструкции. Распределение температуры $T$ внутри тела определяется уравнением теплопроводности

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

где $c$ - удельная теплоемкость, $\rho$ это массовая плотность, $k$ - теплопроводность, а $q$ – плотность теплового источника. Учитывая плотность теплового источника $q$ JCMsuite вычисляет распределение температуры $T.$ Тепловая конвекция или тепловое излучение внутри тела не поддерживаются. Температурный профиль можно использовать в качестве входных данных для оптических расчетов для учета температурной зависимости показателя преломления до линейного порядка.

Линейная эластичность

Нагрев из-за омических потерь также может вызвать механическое напряжение из-за теплового расширения. Это изменяет двойное лучепреломление оптического элемента в соответствии с фотоупругим эффектом и, следовательно, может влиять на оптическое поведение. JCMsuite может решать линейные задачи механики сплошной среды . Уравнения, описывающие линейную упругость, следуют из принципа минимума упругой энергии

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

при условии фиксированного или свободного перемещения граничных условий. Величины представляют собой тензор жесткости $C_{ijkl}$, линейная деформация $\epsilon _{ij}$, заданная начальная деформация $\epsilon _{ij}^{\text{init}}$, смещение $u_{i}$ (из-за теплового расширения), а заданная сила $F_{i}$. Линейная деформация $\epsilon _{ij}$ относится к смещению $u_{i}$ к $\epsilon _{ij}={\frac {1}{2}}\left(\partial _{i}u_{j}+\partial _{j}u_{i}\right)$. Вычисленная деформация может использоваться в качестве входных данных для оптических расчетов для учета зависимости показателя преломления от напряжения. Напряжение и деформация связаны модулем Юнга .

Численный метод

JCMsuite опирается на метод конечных элементов . Подробности численной реализации были опубликованы в различных публикациях, например Производительность методов сравнивалась с альтернативными методами в различных тестах, например Благодаря достижимой высокой числовой точности JCMsuite использовался в качестве эталона для результатов, полученных аналитическими (аппроксимативными) методами, например