آموزش نرم افزار لومریکال (Lumerical) برای شبیه سازی ادوات نوری – مقدماتی

تلاش برای پردازش اطلاعات با سرعت بالاتر، منجر به این شده است که دانشمندان، به سمت استفاده از ادوات نوری، مانند: لیزر، آشکارساز، مدولاتور، موج بر و رینگ رزوناتور پیش روند و همچنین استفاده از سلول های خورشیدی به عنوان جایگزینی مناسب برای سوخت های فسیلی، یکی از بحث هایی است که هر روز بر اهمیت آن افزوده می شود، بنابراین، یکی از علوم بسیار مهم در قرن حاضر را می توان دانش فوتونیک دانست.

برای فراگیری این دانش، نیاز به استفاده از شبیه سازها برای حل الگوریتم های پیچیده ریاضی، یک نیاز ضروری و غیر قابل انکار می باشد. لومریکال (Lumerical) یکی از معروف ترین نرم افزارهای حوزه فوتونیک است و ما هر ساله شاهد این هستیم که در معتبرترین مقالات دنیا استفاده از این نرم افزار، رو به افزایش است.

نرم افزار لومریکال از چهار ماژول FDTD Solutions ،Device ،MODE Solutions و Interconnect تشکیل شده است. هدف از این فرادرس، آشنایی اولیه با دو ماژول Device و FDTD است که از ماژول های اصلی و پرکاربرد نرم افزار لومریکال می باشند. برای همین منظور، ابتدا کار را با ماژول Device که ماژول شبیه سازی ادوات نیمه هادی است شروع می کنیم. اصول اولیه شبیه سازی، انتخاب مواد، تنظیمات شبیه ساز، چگونگی دریافت خروجی از این ماژول و موارد مهم در شبیه سازی را با تشریح مثال توضیح می دهیم. در ادامه به ماژول FDTD که ماژول حل معادلات نوری است می پردازیم و اصول اولیه شبیه سازی نوری، منابع نوری، الگوریتم های تحلیل و موارد دیگر در حوزه شبیه سازی نوری را با تشریح مثال توضیح می دهیم؛ همچنین در دنیای مهندسی که نرم افزار MATLAB نرم افزاری شناخته شده است نحوه ارتباط ماژول های نرم افزار لومریکال با نرم افزار MATLAB توضیح داده می شود.

در انتهای این فرادرس، دانشجو با دو ماژول (Device و FDTD) نرم افزار آشنا شده، اصول شبیه سازی را فرا می گیرد و می تواند افزاره مورد نظر خود را در ماژول FDTD شبیه سازی کند و اطلاعات شبیه سازی را به ماژول Device انتقال دهد.

آموزش نرم افزار لومریکال با توجه به اهمیت بالایی که دارد، منابع آموزشی کمتری برای آن در دسترس است، لذا ضرورت اصلی این فرادرس بر این است که دانشجو بتواند با صرف زمان کمتری به هدفش برسد و در ادامه، خود با آموزه هایی که از این آموزش دریافت کرده است و مراجع اصلی آموزشی نرم افزار، که در این آموزش ارائه می شود، مسائل پیشرفته خود را به راحتی حل کند.

فهرست سرفصل ها و رئوس مطالب مطرح شده در این مجموعه آموزشی، در ادامه آمده است:

• درس یکم: معرفی نرم افزار لومریکال
  • اهمیت نور بر زندگی بشر
  • انواع نرم افزارهای شبیه سازی ادوات نوری
  • مزایای نرم افزار لومریکال
  • اهمیت نرم افزار لومریکال
  • معرفی ماژول های نرم افزار لومریکال
    • کاربرد و ویژگی های ماژول FDTD Solutions
    • کاربرد و ویژگی های ماژول Device
    • کاربرد و ویژگی های ماژول MODE Solutions
    • کاربرد و ویژگی های ماژول Interconnect
  • استفاده از مثال های سایت مرجع نرم افزار لومریکال
• درس دوم: ماژول Device
  • محیط شبیه سازی ماژول Device
    • محیط ترسیم ساختار
    • انواع نوارهای منو، ابزار و نتایج
  • ترسیم ساختار
    • ترسیم ساختار ساده
    • Mesh Order
    • ترسیم ساختار Array
  • انتخاب و ساخت ماده در ماژول Device
    • انتخاب مواد تعریف شده
    • ساخت ماده جدید
  • تنظیمات شبیه سازی H/T و C/T
    • تنظیمات ۲D/3D
    • مش بندی
    • مش اضافی
    • تنظیمات خروجی
    • تنظیمات نوع Solver
  • اعمال ناخالصی به نیمه هادی
    • ناخالصی Constant
    • ناخالصی Diffusion
  • منابع نوری در ماژول Device
    • اعمال منبع نوری ساده
    • اعمال منبع نوری از ماژول FDTD Solutions
  • انواع مانیتورها در ماژول Device
    • بار
    • میدان الکتریکی
    • ساختار نواری
    • شارش جریان
    • شارش توان
    • دما
  • اعمال شرایط اولیه
  • اسکریپت نویسی
  • پروژه اول (شبیه سازی دیود PN)
    • مراحل شبیه سازی در ماژول Device
    • ترسیم ساختار دیود PN
    • تنظیمات شبیه سازی دیود PN
    • رسم ساختار نواری دیود PN
    • نمایش توزیع بار در دیود PN
    • محاسبه ولتاژ درون ساخت با نرم افزار و بررسی نتایج با معادلات اساسی ولتاژ درون ساخت
    • محاسبه ناحیه تخلیه با نرم افزار و بررسی نتایج با معادلات اساسی ناحیه تخلیه
    • رسم منحنی I/V در بایاس مستقیم
    • تنظیمات جاروب برای رسم I/V در بایاس مستقیم در دماهای مختلف
  • پروژه دوم (ترانزیستور MOS)
    • ترسیم ساختار ترانزیستور MOS
    • تنظیمات شبیه سازی ترانزیستور MOS
    • نمایش توزیع بار در ترانزیستور MOS
    • رسم منحنی جریان بر حسب VGS زمانیکه ترانزیستور در ناحیه اهمی است.
    • رسم منحنی جریان بر حسب VDS
    • نمایش توزیع پتانسیل الکترواستاتیکی در ترانزیستور MOS
    • انتقال نتایج به نرم افزار متلب
    • رسم منحنی جریان بر حسب VDS به ازای ولتاژهای VGS مختلف
• درس سوم: ماژول FDTD Solutions
  • محیط شبیه سازی ماژول FDTD Solutions
  • تفاوت محیط شبیه سازی Device و FDTD Solutions
    • ابزار Analysis
    • ابزار Components
  • انتخاب و ساخت ماده در ماژول FDTD Solutions
    • انتخاب مواد تعریف شده
    • ساخت ماده جدید
  • تنظیمات منطقه شبیه سازی FDTD Solutions
    • تنظیمات شبیه سازی ۲D/3D
    • مش بندی
    • شرایط اولیه
  • منابع نوری در ماژول FDTD Solutions
    • Dipole
    • Gaussian
    • Plane wave
    • TFSF
    • Mode
  • انواع مانیتورها در ماژول FDTD Solutions
    • Refractive index
    • Field time
    • Movie
    • Frequencey – domain field profile
    • Frequencey – domain field and power
    • Mode Expansion
  • پروژه اول (شبیه سازی آرایه نانو حفره ها)
    • مراحل شبیه سازی در ماژول FDTD Solutions
    • ترسیم ساختار آرایه نانو حفره ها
    • تنظیمات شبیه سازی آرایه نانو حفره ها
    • رسم منحنی میزان عبور و انعکاس نور
    • پروفایل توزیع میدان الکتریکی در عبور و انعکاس نور
  • پروژه دوم (شبیه سازی سلول خورشیدی صفحه ای)
  • شبیه سازی سلول خورشیدی صفحه ای در ماژول FDTD Solutions
    • ترسیم ساختار سلول خورشیدی صفحه ای در ماژول FDTD Solutions
    • تنظیمات شبیه سازی سلول خورشیدی صفحه ای در ماژول FDTD Solutions
    • رسم منحنی میزان عبور و انعکاس
    • نمایش میزان حامل های تولید شده
    • انتقال نتایج نوری از ماژول FDTD Solutions به Device
  • شبیه سازی سلول خورشیدی صفحه ای در ماژول Device
    • رسم ساختار سلول خورشیدی صفحه ای در ماژول Device
    • تنظیمات شبیه سازی سلول خورشیدی صفحه ای در ماژول Device
    • محاسبه چگالی جریان در ماژول Device
    • رسم منحنی چگالی جریان بر حسب ولتاژ با دو نرخ تولید متفاوت
    • انتقال نتایج به نرم افزار متلب (MATLAB)

مفید برای رشته های

• مهندسی برق – الکترونیک