Lumerical ｜ フォトニクス解析ソフトウェア

光通信、センシング、医療診断、ディスプレイ技術、太陽光発電など、光を利用する産業は急速に成長しています。これらの分野で欠かせない要素が光学素子とフォトニックデバイスです。

これらの要素を設計、開発、製造するには高度な知識と豊富な経験が求められます。また、解析するための高度なシミュレーションツールも必要です。

そのニーズに応えるために開発されたのが、マルチフィジクス解析スイートおよびシステム設計・解析スイートを含むAnsys Lumericalフォトニクス解析ツールです。

Lumerical解析ツールは、光学シミュレーション、デバイス設計、電磁界シミュレーション、ナノフォトニックシミュレーション、プラズモニクス、光集積回路シミュレーションなど、多岐にわたる分野で利用されています。

 

高精度な解析

独自のコンフォーマルメッシュ機能とマルチフィジクス解析を活用することで、設計段階での不具合を早期に発見することが可能です。開発期間の短縮とコスト削減を実現できます。

ユーザーフレンドリーなインターフェース

初心者でも簡単に操作できる使いやすいインターフェースを提供しており、シミュレーション作業の効率を向上させます。

多様な解析機能と充実した材料データベース

光学シミュレーション、デバイス設計、熱解析、ナノフォトニックシミュレーション、光集積回路シミュレーションなど、幅広い解析機能を備えています。

また、標準搭載されている材料データベースも充実しており、様々な素子へ適用可能です。

自動最適化機能

Lumericalは自動最適化機能を提供しており、設計パラメータの最適化を自動で行うことが可能です。試行錯誤の時間を削減し、最適な設計が実現できます。

PythonやMATLAB、Lumerical独自のスクリプト言語を用いて、解析の制御や複雑な後処理も行うことができます。

パラメータスイープ機能

設計パラメータの影響を簡単に評価できるパラメータスイープ機能を備えており、最適化に役立ちます。

FDTD	ナノフォトニックデバイス、プロセス、材料のモデリング（FDTD, RCWA,STACK）
Accelerator	HPC上でシームレスに動作するハイパフォーマンスFDTDエンジン
MODE	導波路、ファイバー、カップラーの設計（FDE, EME,varFDTD）
Multiphysics	光学的、電気的、熱的効果をモデリングするためのマルチフィジクスシミュレーション（CHARGE, DGTD,FEEM, HEAT,MQW）
INTERCONNECT	マルチモード、双方向、マルチチャネルのPICを検証するフォトニック集積回路シミュレーター
CML Compiler	コンパクトモデルの作成、管理、INTERCONNECTのQAテストの自動化

FDTD

Lumerical FDTD

Lumerical FDTDは、ナノフォトニックデバイス、プロセス、および材料のモデル化において最も優れた方法の一つであり、幅広いアプリケーションで高い信頼性を誇る様ファインチューニングされたFDTD法の実装を提供しています。強力かつ拡張性が高く、ソルバーのパフォーマンスにも優れています。

Lumericalシミュレータは、統合された設計環境、スクリプト機能、高度な後処理、および最適化ルーチンを備えているため、ユーザーは設計に集中し、その他の作業をLumericalに任せることができます。

Lumerical FDTDは、有名な光学シミュレーションツールの一つであり、電磁波のシミュレーションにおいて最も正確で高速な解析を提供します。その優れた機能により、多くの分野で非常に独自性の高いツールとして利用されています。

Lumerical RCWA

Lumerical RCWAを使用すると、周期的な変化を持つ多層構造を高速に設計できます。

Rigorous Coupled-Wave Analysis（RCWA）ソルバーは、半解析的な手法を用いており、マクスウェル方程式の直接シミュレーションよりもはるかに高速に実行されます。設計者は干渉効果を正確に捉え、平面波照明下での透過および反射の電磁場を評価することが可能です。

Lumerical STACK

Lumerical STACKは、反射防止コーティング、フィルター、OLED、VCSELなどの薄膜多層スタックの迅速な分析に最適なソリューションです。このツールは、マクスウェル方程式の直接シミュレーションよりもかなり高速に動作し、分析手法を利用することで、平面波照明とダイポール照明の両方で干渉とマイクロキャビティ効果を正確にキャプチャできます。

Lumerical MODE

Lumerical MODEは、光ファイバーや集積フォトニクスの研究において、導波路とカプラーの設計を最大限に活用するために必要な全てが揃っています。双方向固有モード展開およびvarFDTDエンジンを備え、大きな平面構造や長い伝搬長の両方を容易に処理し、正確な空間フィールド、モード周波数、およびオーバーラップ分析を提供します。

Multiphysics

Lumerical CHARGE

Lumerical CHARGEは、有限要素ドリフト拡散法に基づいて構築され、アクティブフォトニックおよびオプトエレクトロニクス半導体デバイスの包括的な電荷輸送シミュレーションのための適切なツールを提供します。

このシミュレータは、静電ポテンシャル（ポアソン方程式）と自由キャリアの密度（ドリフト拡散方程式）を記述する連立方程式を自己無撞着に解くことができます。計算の労力を最小限に抑えつつ高精度を実現するために、自動およびガイド付きメッシュ細分割ツールも提供されています。

Lumerical DGTD

Lumerical DGTDは、不連続ガレルキン時間領域法に基づく有限要素マクスウェルソルバーを使用して、最も難解なナノフォトニックシミュレーションに対応します。

精度がミッションクリティカルな場合、Lumerical DGTDは、マルチフィジックスシミュレーションのワークフロー用に特別に設計された環境内で、ジオメトリの複雑さに関係なく、優れたパフォーマンスを提供します。

Lumerical FEEM

Lumerical FEEMは、固有モード法に基づく有限要素マクスウェルソルバーを使用し、優れた精度とパフォーマンスのスケーリングを提供します。

材料に適応する有限要素メッシュと高次の多項式基底関数を使用することで、Lumerical FEEMは複雑な形状や材料の導波路モードの高精度な解析に最適です。

Lumerical HEAT

Lumerical HEATは、有限要素法に基づいて構築され、設計者に包括的な熱モデリング機能を提供します。

この有限要素熱伝達およびジュール熱ソルバーは、伝導、対流、放射効果に加え、光学的および電気的に生成される熱を簡単に処理できます。設計の安定性と信頼性を確保することが可能です。

Lumerical MQW

Lumerical MQWは、原子レベルに薄い半導体層の量子力学的挙動をシミュレートします。エンジニアは多重量子井戸構造のバンド構造、ゲイン、自然放出を正確に特性化できます。

レーザー、SOA、電気吸収変調器、その他のゲイン駆動型アクティブフォトニックデバイスの設計において、Lumerical MQWは成功を確実にするために必要な深い物理的洞察を提供します。

Lumerical INTERCONNECT

Lumerical INTERCONNECTは、フォトニック集積回路（PIC）シミュレータで、マルチモード、双方向、マルチチャネルのPICを検証することができます。

階層型の回路図エディタを使用してプロジェクトを作成し、豊富なプリミティブエレメントのライブラリやファウンドリ固有のPDKエレメントを活用して、タイムドメインまたは周波数ドメインでの解析を行うことができます。

Lumerical CML Compiler

フォトニック・コンパクト・モデル・ライブラリ（CML）の生成を自動化するクロス・シミュレータです。

CML Compilerは、特性評価の測定結果や3Dシミュレーションの結果をデータソースとして使用し、INTERCONNECTおよびVerilog-A用のフォトニック・コンパクト・モデル・ライブラリ（CML）の作成、メンテナンス、QAテストを自動化します。

ナノフォトニクス	ナノフォトニクスは、約300nmから2000nmの波長帯の光がサブ波長スケール（ナノスケール）の構造とどのように相互作用するかを研究する分野です。これらのナノスケール構造では、フォトンは内部に閉じ込められます。その結果、構造内に閉じ込められた電磁場は、境界条件を用いてマクスウェル方程式を解くことで決定されます。 光を閉じ込める、導く、減速させるといった革新的な構造により、多様な光学機能を実現することが可能です。
メタマテリアル	フォトニックメタマテリアルは、誘電体基板や半導体基板上に金属元素で構成された周期的な光学ナノ構造です。これらの構造の周期は光の波長よりも短く、誘電応答は半導体製造技術によって制御できます。 光の波長スケールにおける興味深い物理現象を引き起こすため、科学的にも大変注目されています。
光集積回路	光集積回路（PIC）技術は、過去半世紀にわたって半導体集積回路技術と非常によく似た成長を遂げてきました。半導体チップの設計と同様に、部品点数の増加や回路の複雑化に対応するためには、効率的で信頼性の高い自動設計ツールが必要です。 これらのツールを活用することで、バーチャルプロトタイピング、歩留まりの向上、開発コストの削減、および設計サイクルの短縮が可能になります。
CMOSイメージセンサー	CMOSイメージセンサーの画素サイズは、昨今1ミクロンを切ろうとしています。民生および商業用途において十分な画質、色深度、解像度を実現するため、技術的課題の克服に向けた研究が続けられています。 CMOSイメージャーでは、入射する光信号を効率良く取り込み、CMOS製造プロセスで製造された高度な多層構造内を無駄なく伝搬させることが求められます。そのためには、サブ波長構造における吸収、散乱、回折、さらにセンサーの定常および過渡的な電気挙動を考慮した厳密な光学および電気シミュレーションが必要です。
太陽電池	製造コストや材料投入量を削減しつつ、太陽電池の効率を向上させることは必須の課題です。そのため、薄膜太陽電池、有機太陽電池、テクスチャー表面太陽電池といった新しいセル設計コンセプトに焦点を当てた研究がますます盛んに行われています。 例えば、吸収層で光を効率的に散乱させるプラズモン共鳴を調整した金属ナノ粒子や、望ましくない後方反射を低減させるナノテクスチャー表面反射防止コーティングなどのナノフォトニック要素を組み込むことで、太陽電池の性能を劇的に向上させることが期待されています。 これらのデバイスの挙動を予測するためにはシミュレーションが必要です。しかし、設計が複雑になるにつれて、シミュレーションの精度を高めることが難しくなり、その性能に関する解析解を得ることも難しくなります。実際のデバイスでは、キャリア（電子と正孔）のバルクおよび表面での再結合といった非理想的なプロセスが太陽電池の電気効率を低下させます。光電変換効率を正確に評価するためには、これらの非理想的プロセスを考慮した光学シミュレーションと電気シミュレーションの組み合わせが必要です。