JCMsuite

JCMwave GmbH

Typ	Privat företag
Industri	Datormjukvara
Grundad	Berlin, Tyskland (2001)
Huvudkontor	Berlin, Tyskland
Produkter	JCMsuite
Hemsida	jcmwave .com

JCMsuite

Utvecklare	JCMwave GmbH
Stabil frisättning	5.0.0 / 3 januari 2022 ( 2022-01-03 )
Operativ system	Windows , Linux
Typ	Datorstödd teknik Finita elementanalys
Licens	Eget licensavtal
Hemsida	jcmwave .com /jcmsuite

JCMsuite är ett mjukvarupaket för finita elementanalys för simulering och analys av elektromagnetiska vågor, elasticitet och värmeledning. Det tillåter också en ömsesidig koppling mellan dess optiska, värmelednings- och kontinuummekaniklösare. Mjukvaran används främst för analys och optimering av nanooptiska och mikrooptiska system. Dess tillämpningar i forsknings- och utvecklingsprojekt inkluderar dimensionella metrologisystem , fotolitografiska system , fotoniska kristallfibrer , VCSELs , Quantum-Dot emitters , ljusinfångning i solceller och plasmoniska system . Designuppgifterna kan bäddas in i skriptspråken på hög nivå MATLAB och Python , vilket möjliggör skriptning av designinställningar för att definiera parameterberoende problem eller för att köra parameterskanningar.

Problemklasser

JCMsuite gör det möjligt att behandla olika fysiska modeller (problemklasser).

Optisk spridning

Spridningsproblem är problem, där objektens brytningsindexgeometri är given, infallande vågor såväl som (eventuellt) inre källor är kända och strukturens respons i termer av reflekterade, brutna och diffrakterade vågor måste beräknas. Systemet beskrivs av tidsharmoniska Maxwells ekvation

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

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

för givna källor $\mathbf {J}$ (strömtätheter, t.ex. elektriska dipoler) och infallande fält. I spridningsproblem betraktar man fältet utanför spridningsobjektet som överlagring av källan och spridda fält. Eftersom de spridda fälten rör sig bort från objektet måste de uppfylla ett strålningsvillkor vid gränsen för beräkningsdomänen. För att undvika reflektioner vid gränserna modelleras de med den matematiskt rigorösa metoden med ett perfekt matchat lager (PML).

Optisk vågledare design

Vågledare är strukturer som är invarianta i en rumslig dimension (t.ex. i z-riktning) och godtyckligt strukturerade i de andra två dimensionerna. För att beräkna vågledarlägen löses Maxwells curl-curl-ekvation i följande form

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

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

På grund av problemets symmetri kan det elektriska fältet $\mathbf {E}$ uttryckas som produkten av ett fält $\mathbf {E} (x,y)$ beroende på bara på positionen i tvärplanet och en fasfaktor. Givet permeabiliteten, permittiviteten och frekvensen hittar JCMsuite par av det elektriska fältet $\mathbf {E} (x,y)$ och motsvarande utbredningskonstant (vågnummer) $k_{ z}$ . JCMsuite löser också motsvarande formulering för magnetfältet $\mathbf {H} (x,y)$ . En modberäkning i cylindriska och vridna koordinatsystem gör det möjligt att beräkna effekten av fiberböjning.

Optiska resonanser

Resonansproblem är problem i 1D, 2D eller 3D där brytningsindexgeometrin för resonerande objekt ges, och vinkelfrekvenserna $\omega$ och motsvarande resonansfält måste beräknas. Inga infallande vågor eller inre källor finns. JCMsuite bestämmer par av $\mathbf {E}$ och $\omega$ eller $\mathbf {H}$ och $\omega$ som uppfyller den tidsharmoniska Maxwells curl-curl ekvation, t.ex.

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

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

för ett par $\mathbf {E}$ och $\omega$ .

Typiska tillämpningar är beräkning av kavitetsmoder (t.ex. för halvledarlasrar), plasmoniska moder och fotoniska kristallbandstrukturer.

Värmeledning

Ohmiska förluster av det elektromagnetiska fältet kan orsaka en uppvärmning, som fördelar sig över föremålet och ändrar strukturens brytningsindex . Temperaturfördelningen $T$ inom en kropp styrs av värmeekvationen

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

där $c$ är den specifika värmekapaciteten, $\rho$ är masstätheten, $k$ är värmeledningsförmågan och $q$ är en värmekällas densitet. Givet en termisk källdensitet $q$ beräknar JCMsuite temperaturfördelningen $T.$ Värmekonvektion eller värmestrålning i kroppen stöds inte. Temperaturprofilen kan användas som indata till optiska beräkningar för att ta hänsyn till temperaturberoendet för brytningsindex upp till linjär ordning.

Linjär elasticitet

En uppvärmning på grund av ohmska förluster kan också inducera mekanisk stress via termisk expansion. Detta ändrar dubbelbrytningen av det optiska elementet i enlighet med den fotoelastiska effekten och kan följaktligen påverka det optiska beteendet. JCMsuite kan lösa linjära problem med kontinuummekanik . Ekvationerna som styr linjär elasticitet följer av minimiprincipen för den elastiska energin

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

med förbehåll för fasta eller fria förskjutningsgränsvillkor. Storheterna är styvhetstensorn $C_{ijkl}$ , den linjära töjningen $\epsilon _{ij}$ , den föreskrivna initiala töjningen $\epsilon _{ij}^{\text{init}}$ , förskjutningen $u_{i}$ (på grund av termisk expansion), och den föreskrivna kraften $F_{i}$ . Den linjära töjningen $\epsilon _{ij}$ relaterar till förskjutningen $u_{i}$ med ${\ displaystyle \epsilon _{ij}={\frac {1}{2}}\left(\partial _{i}u_{j}+\partial _{j}u_{i}\right)}$ . Den beräknade töjningen kan användas som indata till optiska beräkningar för att ta hänsyn till brytningsindexets spänningsberoende. Stress och belastning är relaterade till Youngs modul .

Numerisk metod

JCMsuite förlitar sig på finita elementmetoden . Detaljer om den numeriska implementeringen har publicerats i olika bidrag, t.ex. har metodernas prestanda jämförts med alternativa metoder i olika riktmärken, t.ex. På grund av den uppnåbara höga numeriska noggrannheten har JCMsuite använts som referens för resultat som erhållits med analytiska (approximativa) metoder, t.ex