Ansys Lumerical (포토닉스 No.1 & 시스템 레벨 광집적회로 시뮬레이션 소프트웨어) : Ansys Optics 제품군 #1

Ansys Optics (엔시스 광학해석 제품군)

Ansys Optics(광학해석) 제품군에는 광학 센서 및 마이크로 렌즈 해석이 가능한 Ansys Lumerical부터 광학 렌즈의 설계 및 최적화가 가능한 Ansys Zemax, 실제 광학 제품이 사용되는 환경을 반영하여 시뮬레이션을 진행할 수 있는 Ansys Speos가 포함되어 있습니다.

이 3가지의 제품을 사용하면, Ansys Lumerical을 활용한 나노 단위의 Photonics 해석부터 시작하여 Ansys Zemax를 활용한 광학 부품 설계를 거쳐 Ansys Speos를 활용한 광학 시스템 단계의 전체적인 해석까지 진행할 수 있습니다.

현재 저희 모아소프트는 이 3가지 제품에 대하여 광학 해석 제품군으로 분류하여 기술 지원을 하고 있습니다. 자외선부터 적외선 영역까지의 광학 해석에 대한 경험을 가지고 있으며, 전 제품에 대한 교육도 제공하고 있습니다.

앞으로 저희 블로그에서는 광학 해석 제품에 대한 설명을 시작으로 각 제품의 기능에 대한 설명과 시뮬레이션 사례 및 다양한 산업 분야에서 적용될 수 있는 시뮬레이션 사례들을 작성하여 설명 드리겠습니다.

먼저, 이번 블로그에서는 Ansys Optics(광학해석) 제품군 중 Ansys Lumerical에 대한 설명과 지원하고 있는 기능 및 산업 분야에 대하여 설명 드리겠습니다.

Ansys Lumerical

Ansys Lumerical은 CMOS 센서와 같이 빛을 통해 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 전환하여 정보를 전달하는 Photonics 부품 및 시스템 설계에 이용됩니다.

나노 크기의 광학 소자부터 전기 및 열 효과 모델링 기능을 지원하며, 소형 모델을 제작하기 위한 Python 기반 자동화 및 워크플로우를 지원합니다. 그리고 광범위한 Photonics 설계를 위하여 여러 가지의 광학 해석 Solver를 제공합니다.

Ansys Lumerical Solver

FDTD

Ansys Lumerical FDTD는 나노 단위의 광자 제품 및 프로세스와 재료의 모델링을 지원합니다. FDTD 방식으로 미세 조정된 모델링은 광범위한 응용 분야에서 최고의 시뮬레이션 성능을 제공하며, 스크립팅 기능과 고급 후처리 기능을 제공함으로써 제품 설계에 집중할 수 있게 도와줍니다.

또한, FDTD 방법을 사용하여 파장 스케일 구조를 포함하는 광학 및 Photonics 장치에 대하여 정확하게 시뮬레이션 가능하며, 모든 Source 대역폭에서 임의의 형상 및 재료를 해석할 수도 있습니다. 이러한 Ansys Lumerical FDTD는 Solar cell 분야와 OLED 분야, Photonic crystals 분야, Lithography 분야와 Metamaterials 분야 등 다양한 산업 분야에서 이용되고 있습니다.

STACK

Ansys Lumerical STACK은 반사 방지 코팅, 필터, OLED 및 VCSEL용 박막 다층 스택을 신속하게 분석하는데 이상적인 광학 다층 구조 시뮬레이션 Solver입니다. Lumerical STACK Solver를 활용함으로써 맥스웰 방정식의 시뮬레이션보다 빠르게 결과를 얻을 수 있으며, Plane wave와 Dipole 형식의 모든 광학에서 간섭 및 미세 효과를 정확하게 확인할 수 있습니다. 그리고 Ansys Lumerical STACK Solver는 스크립트 기반 함수도 제공하며 stackrt 및 stackfield와 같은 스크립트 명령은 다층 스택을 분석하는 데에도 유용합니다.

지금까지 개발된 Ansys Lumerical STACK은 디스플레이 분야를 위하여 가간섭성 길이 (Coherence Length) 보다 두꺼운 층에 대한 해석도 지원하며, Speos와의 연계를 통해 다양한 주변 환경에서의 나노 단위의 Photonics Pixel 설계부터 사용자가 지각하는 범위까지 시뮬레이션 할 수 있습니다.

RCWA

Ansys Lumerical RCWA는 격자와 같은 주기적인 패턴이 있는 다층 구조의 신속한 광학 분석에 이상적인 시뮬레이션 Solver입니다. Semi-Analytical 기술을 활용함으로써 맥스웰 방정식의 시뮬레이션보다 빠르게 해석 결과를 얻을 수 있으며, 간섭 효과를 정확하게 포착하는 것과 함께 Plane wave 광학 아래에서 전송 및 반사된 광학 필드를 평가할 수 있습니다.

이번 업데이트된 Ansys Lumerical RCWA 2023R1에는 영상 및 디스플레이와 AR/VR 시스템의 시뮬레이션을 지원하는 새로운 기능이 포함되었으며, 인터페이스 위치 자동 감지 기능으로 시뮬레이션 설정을 단순화할 수도 있습니다. 그리고 AR/VR 애플리케이션 디자인을 위한 Ansys Zemax와의 연계성도 향상되었습니다.

MODE (FDE, EME, varFDTD)

Ansys Luemrical MODE는 광섬유 및 통합 Photonics 시스템 설계에서 도파관 및 커플러의 성능을 정확하게 모델링하도록 지원합니다. FDE (Finite Difference Eigenmode), EME (Finite Difference Eigenmode Expansion), varFDTD Solver (2.5D variational FDTD)를 결합한 Lumerical MODE는 대형 평면 구조와 긴 전파 경로를 쉽게 처리하여 정확한 공간 필드와 Modal 주파수를 중첩 분석할 수 있도록 합니다.

주요 대상 애플리케이션으로는 Couplers와 Resonators, Thermal tuning과 Switching, Electro-optic modulators 및 Fibers 해석에 적용될 수 있습니다.

CHARGE

Ansys Lumerical CHARGE는 활성 광전자 및 Photonics 반도체 장치에서 포괄적인 전하 수송 시뮬레이션을 위한 시뮬레이션 Solver입니다. 활성 광자 및 광전자 반도체 장치에서 종합적인 전하 수송 시뮬레이션을 위한 도구를 설계자에게 제공하며, 정전위(Poisson’s equations)와 자유 캐리어 밀도(Drift-diffusion equations)를 설명하는 방정식 시스템을 이용합니다. 또한, 시뮬레이션 작업을 최소화하면서 정확도를 달성하기 위하여 자동화 및 가이드화 된 Mesh 도구도 제공합니다. 그리고 정상 상태 및 과도 상태 시뮬레이션과 등온, 비등온, 전열 상태의 시뮬레이션이 가능하며 포괄적인 반도체 재료 모델을 제공하여 Implant doping solver 개체를 사용하면 시뮬레이션을 통해 이온 주입으로 도핑 프로필을 정의할 수도 있습니다. Ansys Lumerical CHARGE가 사용될 수 있는 주요 애플리케이션에는 Photovoltaics, Image sensors, Avalanche photodiodes, Electro-optic modulators, Semiconductor devices 등이 있습니다.

DGTD

Ansys Lumerical DGTD는 Geometry의 복잡성과 관계없이 맥스웰의 유한 요소 Solver로 3D 전자 시뮬레이션을 처리하도록 지원하며, 불연속 Galerkin time domain 방법을 기반으로 하는 유한 요소 맥스웰 Solver를 사용하여 나노 단위의 광자 시뮬레이션을 가능하도록 합니다. 주로 DGTD는 Particle Scattering 및 Photothermal Heating 분야에서 사용되고 있으며, 이외에도 Chromatic Polarization, Metamaterials, Surface Relief Gratings 애플리케이션 영역에서도 이용되고 있습니다.

FEEM

Ansys Lumerical FEEM은 복잡한 형상에 대한 도파관 모드의 정확한 분석에 적합한 Eigenmode 방법을 기반으로 하는 유한 요소 맥스웰의 Solver를 제공합니다. 고유 모드 방법을 기반으로 하는 유한 요소 맥스웰의 Solver로 뛰어난 정확도와 성능을 제공하며, 주파수 영역에서 도파관 또는 광섬유의 2D 단면에 대한 모드도 계산할 수 있습니다.

HEAT

Ansys Lumerical HEAT는 설계자에게 포괄적인 열 모델링 기능을 제공합니다. 유한 요소 열 전달 및 Joule heating solver는 전도성, 대류 및 방사 효과는 물론 광학 및 전기적으로 생성된 열까지 쉽게 계산합니다. 주로 Waveguide Tuning 및 Thermal Switches와 Plasmonic Heating 분야에 사용되고 있으며 열에 관한 Cooling과 Heating에 대하여 시뮬레이션 되고 있습니다.

MQW

Ansys Lumerical MQW는 양자 역학 거동을 시뮬레이션하여 Multi-quantum well 구조에서 밴드 구조, Gain 및 자발적인 방출을 정확하게 특성화할 수 있습니다. 또한, MQW는 Lumerical CHARGE, MODE 및 INTERCONNECT와 결합하여 레이저, SOA, Electro-absorption modulator 장치 등을 설계할 수 있도록 지원하고 있습니다.

최근 업데이트된 Ansys Lumerical MQW를 통해 통합 Photonics 회로의 공통 III-V 프로세스에서 조립할 수 있는 전기 흡수 변조기(EAM)의 변조 반응을 정확하게 시뮬레이션할 수 있습니다. 또한, 새로운 Ansys MQW 사용자 인터페이스를 사용하여 Material 데이터베이스의 재료로 Multi-quantum well 구조를 정의하고, 시뮬레이션 컨트롤을 설정할 수도 있습니다. 그리고 유한 요소 IDE의 전기 및 열 재질 데이터베이스에 k.p. 모델 파라미터를 포함하여 MQW Solver 시뮬레이션을 위한 III-V 3진 합금과 4진 합금의 물질 속성이 포함됩니다.

Ansys Lumerical & Optics

다양한 해석 Solver를 가지고 있는 Ansys Lumerical은 Optics 제품군에 해당하는 Ansys Zemax와 Speos를 연계하여 광학 해석을 진행할 수 있도록 지원하고 있습니다.

Ansys Zemax 제품과 연계하여서는 메타렌즈 분야와 OLED와 마이크로 LED 분야 등에서 사용되었으며, Speos 제품과는 Head-Up Display와 자동차 Body paint의 광학 해석 분야 등에서 이용되었습니다. 또한, Ansys Circuit과 연계하여 다중 모드와 양방향 및 다중 채널 PIC에 대하여 광 집적 회로 시뮬레이션을 진행할 수도 있으며, Lumerical CML Compiler를 이용하여 검증된 안정성으로 CML을 효율적으로 생성할 수도 있습니다.