Ansys Lumerical 2025 R1的新功能_电路_信号完整性_半导体_光学_电力_电子_芯片

Ansys Lumerical 2025 R1的新功能

Ansys Lumerical 2025 R1

——三大关键功能

GPU仿真加速

功能描述：对于相同的系统，GPU仿真占用一半内存，网格划分时间减少20％，并且多GPU的仿真能实现线性加速。

解决的问题：可以仿真更大的系统，网格划分更快，多GPU实现线性加速。

目标受众：光子工程师和研究人员。

Ansys Lumerical FDTD

的现代用户界面

功能描述：Ansys Lumerical FDTD的现代用户界面，带有新的的选项卡式工具栏菜单。

问题解决：直观的布局，可快速访问FDTD、RCWA和STACK功能，并简化了CPU/GPU/多GPU的作业启动。

目标受众：使用FDTD、RCWA或STACK求解器的所有人。

体全息光栅的仿真

功能描述：在RCWA中用于仿真体全息光栅的新层重复功能。

问题解决：针对AR/VR和平视显示应用的全息光栅的快速多层仿真。

目标受众：使用FDTD、RCWA或STACK求解器的所有人。

Ansys Lumerical 2025 R1中的新功能

Ansys Lumerical FDTD

现代用户界面（FDTD、RCWA和STACK的选项卡式工具栏）
增强的CPU/GPU/多GPU作业配置（从FDTD选项卡和扫描面板运行仿真的新流程，多GPU资源配置改进）
预运行GPU进行内存估算，并提供更准确的GPU仿真报告
提高了大型模型FDTD模拟的网格划分效率
FDTD GPU仿真兼容的新功能（色散材料、PEC材料、偶极子源、单频导入源）
Lumerical MODE和Lumerical FDTD数据集的重叠计算
使用RCWA进行体全息光栅仿真

Ansys Lumerical Multiphysics

SPAD的3D ATP仿真

Ansys Lumerical INTERCONNECT

激光建模的全新多截面功能
用于OSA频谱计算的窗口函数

Ansys Lumerical CML Compiler

新的Verilog-A模型：
veriloga_custom_element
新的光子模型：fiber_array

Ansys工作流程和协同作用

CPO信号完整性分析工作流程
Lumerical-Zemax具有多波长能力Metalens的工作流程
具有XY空间变化的Zemax OpticStudio LSWM插件

Ansys Lumerical FDTD的现代用户界面

Ansys Lumerical FDTD的现代用户界面

新的选项卡式工具条菜单：文件、视图和设计选项卡包含常用工具，FDTD、RCWA和STACK求解器选项卡布局直观。
可用性更高：更简洁，可快速访问相关功能。
一致性：与Ansys Lumerical Multiphysics中使用的样式类似。

出色的用户体验，高效的界面，减少搜索功能的时间，将更多时间用于创新。支持动态尺寸标注、4k图形、明暗主题。

Ansys Lumerical FDTD中增强的CPU/GPU/多GPU仿真配置

从FDTD选项卡和Sweeps面板配置CPU/GPU/多GPU作业

1）从FDTD选项卡“Resource Selection”中选择CPU/GPU资源仿真

2）从列表中更改主机名，访问所有现有的本地和远程作业启动预设类型

3）扫描中CPU和GPU的新下拉菜单

多GPU资源配置改进

1）使用“custom option”为每个作业分配一组GPU

单击“Edit”将GPU分组在一起

2）“auto option”使用所有可用的GPU

3）可以重命名、启用GPU

Ansys Lumerical FDTD中的GPU内存估算报告

更准确的预仿真GPU内存估算报告

新的FDTD选项卡中提供了仿真检查器报告，如果您犯了错误，您会得到更清晰的解释。
GPU内存估算发生在引擎中的网格划分之前，因此您可以在运行仿真之前知道大型模型是否会因网格划分而失败。
提供UI和引擎所需内存范围，如果硬件内存太小，作业将停止以防止失败。

Ansys Lumerical FDTD(FDTD求解器)中的更快网格划分

提高大型元结构的FDTD仿真的网格划分效率

使用多线程时，具有大量元素的扁平结构（例如元透镜/元结构）的网格划分时间减少了约20%。
网格划分时间与线程数大致成比例，即当仿真的大小（如元原子数量）和线程数按相同的因子缩放时，网格划分时间保持大致恒定。
分层分解方法将几何图形分割成更小的空间。

由于采用了分层分解的方法，“网格划分工作量”的比例为（NlogN/T）而不是（N2/T）。其中N为元原子个数，T表示线程或者进程个数。

Ansys Lumerical FDTD(FDTD求解器)中的GPU内存效率

内存节省50%

具有PML边界的GPU仿真现在使用相同系统的一半内存。
运行更大的系统，性能略有提升。
结果相同，内存更少。

小型系统加速高达10%。

Ansys Lumerical FDTD中的多GPU性能改进

Lumerical FDTD现在可以高效地在多个GPU之间分配几何网格数据，从而优化数据传输并在单个节点上实现近1:1的GPU加速。

得益于异步数据传输和几何的Z轴或Y轴分割，每个时间步骤所需的数据传输得到了极大改善。
超透镜基准测试，单个节点上的多个Nvidia A100 GPU。对于24GB超透镜仿真模型，使用2个GPU的FDTD仿真速度快2.0倍，使用4个GPU的FDTD仿真速度快4.0倍，使用6个GPU的FDTD仿真速度快6.0倍，使用8个GPU的FDTD模拟速度快8.0倍。

Ansys Lumerical FDTD中的FDTD GPU仿真兼容的新功能

FDTD求解器现在支持使用PEC和色散材料的GPU模拟，以及偶极子和ZBF导入源。

色散材料：可精确仿真CMOS图像传感器、OLED结构和几乎所有的光子仿真。不再需要GPU快速模式选项。

完美电导体(PEC)材料：适用于2D孔径、通孔和其他金属触点。

偶极子源：具有全向辐射模式的点源，通常用于模拟点源辐射器，如荧光分子。
单频导入源：填充了ZBF数据，用于Co-Package Optics工作流程。

使用Ansys Lumerical MODE和Lumerical FDTD数据集进行重叠计算

重叠脚本命令现在接受数据集

创建、保存和加载字段并对其执行重叠积分计算的灵活性大大提高。
以前的版本仅限于来自GUI的D-card输入，这是在脚本中计算“重叠积分”时的一个限制。
数据集比D-card更灵活，方便从MODE或FDTD的任何监视器操作字段。

Ansys Lumerical FDTD中的体全息光栅

新的层重复功能可用于模拟RCWA中的体全息光栅。

可以重复单个周期（1个周期的20层重复20次相当于400层）。

在保证精度相同的情况下比全息图快5倍。

Ansys Lumerical INTERCONNECT中用于激光建模的全新多段功能

使用多段特征，在Lumerical INTERCONNECT中的行波激光模型(TWLM)以单一元素和便捷的方式定义有源层、无源层、空间分布布拉格光栅或多段激光器的啁啾变化上的不同参数。
可用于设计分布式布拉格反射器(DBR)或半导体光放大器(SOA)激光器。

Ansys Lumerical INTERCONNECT中OSA光谱计算的窗口函数

INTERCONNECT中的光谱分析仪(OSA)现在支持窗口函数（Hanning、Hamming和Blackman）进行光谱计算。
此增强功能通过减少光谱泄漏显著提高了非周期性信号功率谱测量的准确性。
用户现在可以获得与实验数据和预期非常接近的更精确的结果。

Ansys Lumerical Multiphysics中SPAD的3D ATP仿真

Lumerical Multiphysics现在支持具有三维模拟域的雪崩触发概率(ATP)。
SPAD仿真（电+光）具有3D雪崩触发概率(ATP)和SPAD的暗计数率(DCR)。

Lumerical CML编译器中的新光子模型

定制Verilog-A光子模型：

veriloga_custom_element

CML Compiler用户可以使用此模型为任何独特的、有源或无源的、自定义元素创建光子Verilog-A模型，而这些元素目前不受 CML Compiler 支持。
用户可以编写自己的Verilog-A代码来定义元素的输入输出关系，然后让 CML Compiler处理其余部分（例如，端口约定、多通道支持、加密等）。

新的“fiber_array”光子模型

用户能够仿真芯片与光纤耦合产生的额外损耗。
支持阵列中任意数量的Pcell参数和光纤。
统计启用模型支持蒙特卡罗扫描以进行产量分析，并具有统计参数之间的相关性。

全新共封装光学信号完整性分析工作流程

新的工作流程可仿真射频对电光3D-ICs中光信号的影响，确保最大限度地减少信号衰减并优化CPO集成电路的整体功能。
Ansys Lumerical INTERCONNECT与Cadence Spectre一起进行光电联合仿真，并评估有和没有射频线和垫片影响的CPO系统的性能。

Lumerical-Zemax具有多波长能力的超透镜工作流程

使用新的窗口傅里叶变换(WFT)方法实现更真实的射线追踪结果。

H5数据文件中新增多波长维度。

适用于Zemax OpticStudio和

Ansys Speos的具有XY空间变化

的Lumerical亚波长模型插件

现在LSWM插件静态链接支持具有2D X空间变化的光栅和涂层

笛卡尔坐标和极坐标
可以创建区域
X和/或Y方向
支持极化

Lumerical套件可在Ansys自动安装程序中使用

5款Lumerical产品（FDTD、MODE、Multiphysics、INTERCONNECT、CML-Compiler）现已在Ansys自动安装程序中提供。
Lumerical Photonics Verilog-A Runtime可以单独安装（IC设计人员无需在Linux上安装完整的Lumerical套件即可运行Lumerical photonic Verilog-A模型）。
光学启动器现在是Zemax和Speos的可选项。

来源：摩尔芯创

【Lumerical系列】基于LNOI平台的低损耗高带宽逆向设计光栅耦合器

本期文章将介绍一种基于X-cut绝缘体上铌酸锂（LNOI）的光栅耦合器结构[1]。该结构所采用的逆向设计方法是基于梯度伴随优化方法，具有优化自由度大，时间短的优点。此外，该光栅耦合器无需底层金属反射层，只需一步刻蚀就可实现高性能的光栅耦合器，实验测得其耦合效率高达-3.3dB，3dB带宽能达到90nm。引言铌酸锂（LN）是一种多功能的电介质晶体，拥有电光、非线性光学、声光、铁电、压电、光折变和光致发光等卓越物理特性，如图1所示[2]，其在电信、频率转换、光存储、滤波和量子光学等多个领域有着广泛的应用。通过“智能切片（smart cut）”技术制备的薄膜铌酸锂层经过退火处理后不仅保持了体块铌酸锂晶体的单晶结构，同时还具有极好的非线性光学性质，通过二次退火和化学机械抛光等处理，可以消除离子注入引起的晶格损伤并改善表面粗糙度，从而得到厚度合适的高性能晶圆级绝缘层上薄膜铌酸锂（LNOI）。图1 集成光学中几种常见材料的主要属性[2]一系列高性能的LNOI集成光学器件已经被开发出来，如可调谐频率梳、高频低压电光调制器等。然而，对于所有LNOI器件，在与片外光源和检测器的光纤耦合中存在关键问题，与厚膜和大块材料不同，LNOI波导和单模光纤之间的高效率耦合相对困难，因为波导模式和光纤模式之间的失配是明显的。本期文章将介绍一种平衡了耦合效率和耦合带宽的X-cut LNOI光栅耦合器，该器件的优化采用基于梯度伴随方法的逆向设计，该方法不仅节约时间，还具有更多的自由度优化。结构设计该光栅耦合器设计在400nm X-cut LNOI平台上，在平台下埋有3μm厚的SiO2层。光栅耦合器示意图如图2所示，光栅数量设置为20个，足以覆盖整个单模光纤的光斑尺寸，图2（c）为光栅波导模式到光纤模式耦合时的光场图。图2 LNOI上的光栅耦合器。（a）结构示意图;（b）截面图;（c）光场图梯度伴随优化方法基于梯度的逆向设计方法不依赖于参数扫描或随机扰动来寻找最小值，同时使用伴随方法分别从正向和逆向伴随仿真中获得场分布，以计算场分布相对于结构向量的梯度，这比遗传算法或粒子群优化算法需要更少的模拟时间。该器件的设计流程如图3所示。在优化中，由于光栅结构的特殊性，选择直接采用离散参数矢量A=[a1,b1；a2,b2；…；an,bn]，其对应于包层外部的SiO2和光纤，以及包层内的铌酸锂，其中ai，bi（i=1，2，...，n）是i阶光栅的未蚀刻和蚀刻区域的长度，并且应用特征尺寸约束（ai≥100nm，bi≥0）以便于实际制造和处理。在仿真中，根据制造将侧壁楔角设置为60°。同时，引入辅助矢量B=[θ，he]，其中θ为光纤的入射角，he为刻蚀深度，以优化光纤的入射角和刻蚀深度，获得较大的耦合效率。此外，为了平衡耦合效率与带宽之间的关系，将目标函数调整为等间隔波长处的平均耦合效率，采用L-BFGS-B算法进行迭代直到最优收敛。图3 逆向设计流程图仿真优化与仿真结果在优化过程中，以中心波长1550nm以及3dB带宽分别为40nm、60nm、80nm和100nm为目标，此外，波长间隔为10nm，入射光纤芯径为9μm，包层直径为125μm的单模光纤。由于三维光栅耦合器优化计算量大的问题，采用时域有限差分法（FDTD）进行二维仿真，优化迭代次数设置为150次。对于3 dB带宽为40nm的光栅耦合器，其最佳光纤角度约为2.5°，刻蚀深度约为280 nm。为了统一后续工艺和实验测试，对于其他带宽优化，入射角和蚀刻深度是恒定的。为了进一步说明结果的准确性，采用3D-FDTD对优化结果进行了验证，考虑了两种结构：矩形光栅和曲面光栅，如图4（a）所示。其中图4（b）和图4（c）分别表示两种结构的光栅耦合器的耦合效率。图4 （a）两种光栅耦合器的结构示意图；（b）矩形光栅的耦合效率；（c）曲面光栅的耦合效率实验与测试光栅耦合器中铌酸锂薄膜的厚度为400nm。光学显微镜和扫描电子显微镜（SEM）的图像如图5所示。在制备过程中只有一次电子曝光和一次蚀刻步骤，正性光致抗蚀剂（ZEP 520A）通过50keV电子束光刻（EBL）图案化并使用乙酸戊酯显影，使用低压氩等离子体通过ICP-RIE蚀刻将图案转移到LN薄膜中。最后，使用通过PECVD沉积的SiO2作为上包层。图5 （a）光学显微镜图；（b）直波导横截面,（c）光栅局部放大,（d）光栅耦合器的SEM图测量的TE模式的结果如图6所示。仿真和测量结果之间存在一些差异，这可能归因于制造过程中不可避免的制造误差。在1550nm波长处，TE偏振的最大耦合效率可达-3.3dB，3dB带宽为78nm，与仿真结果相比，效率略有下降，带宽有所增加。实验结果与仿真结果吻合较好，优化后的光栅具有更大的带宽。最大耦合效率仍为-3.9dB，3dB带宽为90nm。图6 实验结果图。（a）耦合效率；（b）带宽参考文献：[1]He,X.,Sun,D.,Chen,J.,&Shi,Y.(2024).yInverse designed grating coupler with low loss and high bandwidth on LNOI platform. IEEE Photonics Journal.[2]邓莉,et al."薄膜铌酸锂微纳结构的非线性光学研究进展(特邀)."Laser& Optoelectronics Progress 61.11 (2024): 1116011.来源：摩尔芯创