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集成光学器件仿真与性能优化

📚 共计 30 章节

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绪论：集成光学概述

集成光学发展脉络、仿真技术的关键作用、课程目标与系统化学习路径。

光波导基础理论

麦克斯韦方程组与波动方程推导、平板波导模式分析、条形与脊形波导结构。

数值仿真方法概述

FDTD、FEM、BPM、模式求解法(EIM)的适用范围与核心思想对比。

FDTD基本原理

Yee网格与差分格式、数值稳定性与色散、PML与ABC边界条件。

FDTD仿真实践

Lumerical FDTD环境搭建、波导模式仿真、定向耦合器设计与分析。

FEM基本原理

变分原理与弱形式、网格剖分与基函数、稀疏矩阵求解技术。

FEM仿真实践

COMSOL Multiphysics入门、MZI调制器仿真、环形谐振腔特性分析。

BPM基本原理

傍轴近似与单向传播、分步傅里叶法、广角BPM扩展。

BPM仿真实践

RSoft BeamPROP入门、Y分支分束器仿真、S弯曲波导损耗分析。

模式求解与耦合模理论

本征模展开、模式重叠积分、耦合模方程(CMT)及其应用。

光栅器件仿真

布拉格光栅原理、均匀与啁啾光栅设计、FDTD与CMT联合仿真方法。

光栅联合仿真

阵列波导光栅(AWG)

AWG工作原理、罗兰圆结构、相位误差分析与补偿技术。

AWG波分复用

微环谐振器

传输特性分析、临界耦合与过耦合、Q值与消光比优化策略。

马赫-曾德尔干涉仪(MZI)

MZI原理、热光与电光效应、推挽结构设计与性能优化。

多模干涉耦合器(MMI)

自映像原理、1×2与2×2 MMI设计、损耗与均匀性优化。

偏振管理器件

偏振分束旋转器(PSR)、偏振无关设计、双折射补偿方法。

模斑转换器

绝热锥形波导、反向锥形耦合器、光纤-芯片耦合效率优化。

工艺容差分析

蒙特卡洛方法、工艺角仿真、鲁棒性设计与良率评估。

逆向设计与拓扑优化

伴随法原理、密度法拓扑优化、直接二进制搜索(DBS)算法。

机器学习在集成光学中的应用

神经网络代理模型、贝叶斯优化、生成式设计范式。

Python仿真框架搭建

NumPy/SciPy基础、光学函数库编写、自动化扫描脚本开发。

Python自动化

Python与商业软件联合仿真

Lumerical API调用、COMSOL LiveLink、数据后处理与可视化。

光学参数提取

有效折射率提取、群折射率计算、传播损耗精确提取。

S参数提取与T矩阵法

S参数定义与提取、T矩阵级联、多端口网络分析。

波导色散与材料色散、零色散波长调控、色散平坦化设计。

非线性光学效应仿真

克尔效应、双光子吸收、自相位调制(SPM)仿真方法。

热效应仿真

热光效应模型、热传导方程、热调谐效率与热管理分析。

版图设计与GDS生成

Python gdspy库、自动化版图生成、DRC检查与验证。

多物理场协同仿真

电-热-光耦合、压电光调制、声光调制协同仿真技术。

多物理场耦合

课程总结与项目实战

片上光谱仪设计、高速MZI调制器链路仿真、性能优化报告撰写。