軟件特色
JCMsuite是基于計(jì)算(suàn)機科學的高(gāo)級數(shù)學方法和(hé)技(jì)術(shù)。它利用了有(yǒu)限元方法(FEM)的強大(dà)功能和(hé)靈活性來(lái)快速和(hé)準确地獲得(de)結果，并使用最新的機器(qì)學習技(jì)術(shù)來(lái)優化複雜的光學器(qì)件。
CAD 和(hé)網格工具
JCMsuite幾何和(hé)網格工具是專門(mén)為(wèi)光子應用而設計(jì)的
形狀和(hé)幾何圖形：可(kě)以使用線性或彎曲單元創建各種CAD幾何圖形，如2D和(hé)3D圖元、擠壓體(tǐ)、圓角形狀和(hé)自由形狀
對稱性：通(tōng)過定義周期或鏡像對稱網格，或者通(tōng)過在圓柱和(hé)扭曲坐(zuò)标系中工作(zuò)，可(kě)以大(dà)大(dà)減少(shǎo)計(jì)算(suàn)時(shí)間(jiān)
無限結構：支持多(duō)層結構、層狀外部域和(hé)波導結構
自适應網格：自動網格細化，邊角和(hé)法線細化可(kě)實現高(gāo)度精确的計(jì)算(suàn)
Hp-FEM解算(suàn)器(qì)
有(yǒu)限元方法(FEM)提供了一種常規、嚴格、通(tōng)用且非常快速的方法來(lái)解決科學和(hé)技(jì)術(shù)挑戰
求解問題類别：JCMsuite解決了時(shí)間(jiān)諧波麥克斯韋方程組的光散射問題、波導設計(jì)問題、光學共振問題以及線性彈性問題、熱傳導問題，以及這些(xiē)類型的任何耦合問題類别
自動數(shù)值設置：根據基于殘差的誤差估計(jì)，自動選擇各種數(shù)值設置，如有(yǒu)限元度、PML設置(完美匹配層)
材料和(hé)光源：可(kě)以定義各種材料的性質，如複合和(hé)各向異性材料的介電(diàn)常數(shù)和(hé)磁導率張量、色散性質、熱導率和(hé)剛度。例如，可(kě)以通(tōng)過平面波，周期性或孤立的偶極子，光束和(hé)波導模式來(lái)激發結構
後處理(lǐ)：特别關注光學中所有(yǒu)必要後處理(lǐ)的支持和(hé)高(gāo)效計(jì)算(suàn)，如傅裏葉變換、遠場(chǎng)、能量通(tōng)量、重疊積分、光學成像、共振擴展和(hé)Purcell因子
分析和(hé)優化工具包
機器(qì)學習技(jì)術(shù)能夠有(yǒu)效地分析和(hé)優化光學器(qì)件的性能
優化：貝葉斯優化是一種高(gāo)效的優化方法，能夠在更短(duǎn)的計(jì)算(suàn)時(shí)間(jiān)內(nèi)開(kāi)發高(gāo)性能器(qì)件。其他支持的優化方法包括下行(xíng)單純形優化、粒子群優化、差分進化和(hé)L-BFGS-B方法
不确定度量化：光學系統的參數(shù)往往存在不确定性和(hé)波動。該工具包包括幾個(gè)有(yǒu)效的方法來(lái)确定參數(shù)敏感性(Sobol系數(shù))以及波動下的平均性能和(hé)方差
參數(shù)重構：從實測數(shù)據重構材料屬性、形狀參數(shù)等系統參數(shù)是一項複雜的數(shù)值任務。JCMsuit包括了各種有(yǒu)效工具，可(kě)以對參數(shù)值及其測量不确定性進行(xíng)時(shí)間(jiān)高(gāo)效和(hé)精确重構
預測：經過一個(gè)學習階段，可(kě)以預測未知參數(shù)下光學器(qì)件的性能
軟件安裝及運行(xíng)環境
操作(zuò)系統：Windows系統，要求64位版本；Linux系統
CPU：至少(shǎo)具有(yǒu)2.4 GHz的四核處理(lǐ)器(qì)，建議至少(shǎo)具有(yǒu)3 GHz八核
RAM：8 GB，建議至少(shǎo)32 GB
硬盤空(kōng)間(jiān)：50 GB，建議使用250 GB SSD驅動器(qì)圖形适配器(qì)
接口：USB 端口，DVD–ROM 光驅
軟件應用領域
現代納米光學系統的複雜性使得(de)大(dà)量的仿真非常必要。 JCMsuite提供的超嚴格的仿真可(kě)以讓設計(jì)者深刻理(lǐ)解相關現象，了解更多(duō)不同領域帶來(lái)的挑戰。
計(jì)算(suàn)光刻
JCMsuite提供了完整的光學仿真鏈：對複雜照明(míng)的描述，通(tōng)過光學成像系統和(hé)光掩模傳播的光場(chǎng)的計(jì)算(suàn)，直至在光刻膠中形成圖像。
計(jì)算(suàn)計(jì)量學
周期大(dà)于照明(míng)波長一半的結構的光學計(jì)量已成為(wèi)标準計(jì)量技(jì)術(shù)。 但(dàn)是，快速嚴格的仿真技(jì)術(shù)以及設計(jì)好的測量裝備允許在深亞波長範圍內(nèi)使用光學計(jì)量方法
波導和(hé)光纖
JCMsuite為(wèi)所有(yǒu)類型的波導（包括單模和(hé)多(duō)模光纖，光子晶體(tǐ)光纖，微結構光纖，集成光波導，等離子體(tǐ)波導）計(jì)算(suàn)波導模式和(hé)相應的傳輸常數(shù)。 圓柱坐(zuò)标系和(hé)扭曲坐(zuò)标系中的模式計(jì)算(suàn)允許嚴格計(jì)算(suàn)波導彎曲的影(yǐng)響。
光伏
JCMsuite支持各個(gè)方面提高(gāo)光電(diàn)效率：分析層結構和(hé)材料成分的效率、随機和(hé)微結構層、背反射器(qì)和(hé)表面的影(yǐng)響、規則或随機分布的等離子體(tǐ)粒子的等離子體(tǐ)效應以及包括頻率轉換在內(nèi)的非線性效應。
光源
諸如激光二極管，VCSEL，LED，OLED和(hé)單光子光源之類的光源是光學設備的基本組成部分。 JCMsuite可(kě)以對其光學特性進行(xíng)有(yǒu)效的仿真和(hé)優化，包括遠場(chǎng)分布，光纖耦合效率和(hé)熱透鏡效應。
納米結構材料
JCMsuite允許設計(jì)和(hé)分析新型納米結構材料的光學特性。 例如等離子體(tǐ)材料，手性材料，光子晶體(tǐ)和(hé)準晶體(tǐ)，超材料，粗糙界面，納米複合材料等。
應用舉例
微結構光源光學特性的仿真和(hé)優化
微納光學的光源通(tōng)常分為(wèi)兩大(dà)類：垂直發射器(qì)和(hé)水(shuǐ)平發射器(qì)
上(shàng)圖所示垂直發射器(qì)(黑(hēi)色盒子)安裝在基片上(shàng)或基片內(nèi)，通(tōng)常情況下是多(duō)層堆棧。光線在活躍區(qū)域(黑(hēi)色盒子)産生(shēng)，并且被激發到上(shàng)半部分空(kōng)間(jiān)。除了由阻尼材料引起的內(nèi)部損失，光能也由于輻射到基片或水(shuǐ)平方向的光在基片層中被捕獲而損失。建立垂直光光源有(yǒu)以下兩種方法：
計(jì)算(suàn)激光諧振腔的共振模式，可(kě)詳見案例VCSEL。
直接将光源(電(diàn)流密度)放置在活躍層中，可(kě)詳見案例量子點發射器(qì)
在這兩種情況下，激發光束的質量可(kě)以通(tōng)過遠場(chǎng)或傅裏葉變換後處理(lǐ)進行(xíng)分析。
邊緣（水(shuǐ)平發射器(qì)）：在這種情況下，激光諧振腔由一個(gè)相對較長的波導組成。光束在波導的端面水(shuǐ)平被激發。為(wèi)了設計(jì)一個(gè)邊緣發射器(qì)，計(jì)算(suàn)了激光諧振腔的波導模式，可(kě)詳見案例大(dà)功率二極管激光器(qì)
光伏發電(diàn)的衍射效率分析及結構優化
薄膜矽太陽能電(diàn)池依靠散射結構将入射光衍射到更大(dà)的角度，從而在高(gāo)折射率吸收材料中通(tōng)過全內(nèi)反射捕獲光。它們的優化是當前研究的一個(gè)課題。一般來(lái)說，即使散射結構在本質上(shàng)是統計(jì)性質的，也可(kě)以在JCMsuite軟件中通(tōng)過應用周期邊界條件對單元進行(xíng)建模，也可(kě)以對簡單、随機紋理(lǐ)薄膜太陽能電(diàn)池進行(xíng)幾何定義和(hé)網格劃分，進而對不同層材料的衍射、吸收效率進行(xíng)分析。
左：幾何和(hé)圖層命名 中間(jiān)：适應短(duǎn)波長的網格 右圖：适應長波長的網格
微納光子器(qì)件的光學特性分析以及器(qì)件結構優化
衍射光學元件(DOE)通(tōng)過波長維度上(shàng)的圖案來(lái)操縱光通(tōng)過它傳播的相位和(hé)振幅。典型的非對稱光栅有(yǒu)周期圖案(光栅)、菲涅耳透鏡、孤立目标圖案、二元光栅、光闌等。
下圖概述了模拟光從DOE散射的典型裝置:
原理(lǐ)圖:DOE仿真設置
通(tōng)常，DOE駐留在介質襯底上(shàng)。照明(míng)光場(chǎng)(如平面波)從下方或上(shàng)方照射到DOE。這激發了透射場(chǎng)和(hé)反射場(chǎng)，這是我們感興趣的典型參量。
JCMsuite計(jì)算(suàn)近場(chǎng)電(diàn)磁場(chǎng)，并使用它通(tōng)過傅裏葉變換或遠場(chǎng)評估後處理(lǐ)的方式來(lái)推導遠場(chǎng)(透射和(hé)反射)。
對于周期結構，傅裏葉變換後處理(lǐ)産生(shēng)離散衍射模。對于孤立問題，傅裏葉變換由連續分布的散射場(chǎng)和(hé)由平面波照明(míng)産生(shēng)的最終離散模式組成。
結合傅裏葉變換，您可(kě)以使用光學成像後處理(lǐ)來(lái)形成由成像工具(如顯微鏡)産生(shēng)的圖像。
非周期結構的近場(chǎng)分布
