メタレンズから光電融合まで対応するフォトニクス解析ソフトウェア
ナノスケール構造の光伝搬解析で、微細光学素子や光通信デバイスの開発を加速します

Ansys Lumerical(以下Lumerical)は、フォトニックデバイス、システムの解析ソフトウェアを備えたパッケージです。
「DEVICE Suite」、「SYSTEM Suite」、自動化・最適化・ソフトウェア連携機能を備えた「Interoperability」から構成されており、デバイスからシステムレベルのシミュレーションを一貫して行うことができます。また、多くの外部ソフトウェアとの連携や、PythonとのAPI機能を持ち、マルチフィジクス解析や自動化・最適化が可能です。

主な特長

デバイス解析からシステム解析までの包括的な解析環境を提供

Lumericalは、「DEVICE Suite」と「SYSTEM Suite」の２つのパッケージで構成されています。
DEVICE Suite（デバイススイート）は、電磁光学をベースとした、フォトニックデバイス解析ツールです。複数の数値解析ソルバーにより、電磁場解析からマルチフィジックス解析まで対応します。光導波路・変調器・カプラ・メタレンズなどの様々なフォトニックデバイスの現象を解析・把握し、試作や実験回数の削減を通じて開発コストの低減に貢献します。
SYSTEM Suite（システムスイート）は、光トランシーバー、5G通信、PIC（光集積回路）などの光システム解析ツールです。マルチモードファイバや双方向・マルチパス伝搬を含む光回路・システムを、時間領域および周波数領域で解析できます。さらに、CML Compilerにより、DEVICE Suiteで設計したデバイスを組み込んだシステムシミュレーションにも対応します。

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HPC/クラウド環境による大規模FDTD計算

FDTDは高い汎用性を有する一方で、大規模な3Dモデルや高解像度メッシュでは計算負荷が課題となります。Lumericalはオンプレミス及びクラウドの両環境に対応しており、CPUによる並列計算に加え、マルチノード・マルチGPU計算により大規模FDTD計算の高速化を実現します。
eに対応しており、クラウド上の計算環境を利用可能です。 Ansys Cloud Burst Computeは、従量課金制のためクラウドリソースを必要な時に必要な分だけご利用いただけます。
※GPU計算とAnsys Cloud Burst ComputeはFDTDソルバーのみ対応しております。
※Ansys Cloud Burst Compute機能にはオンプレミス用のPre/Postライセンスが別途必要です

スクリプトによる高度なモデリング/ポスト処理

LumericalにはLumerical専用のスクリプト言語(LSF)が実装されており、こちらを駆使することでモデリングからポスト処理・データ出力までを実施可能です。さらにPython /MATLAB APIを有しており、Lumericalを設計フローに組み込むことも可能です。

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製品構成

Lumericalはパッケージごとに多様なソルバーを有しており、解析対象に応じて使い分けることで様々な分野のアプリケーションに対応可能です。

DEVICE Suite

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SYSTEM Suite

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活用例

Case 1 メタレンズ

メタレンズとは、レンズ表面にナノサイズの突起物を持つ構造のレンズです。
ナノサイズの突起物が、光の位相変調素子として働きます。素子の特性をわずかに変化させることで、レンズ上の各座標点で適切な位相を与えることができ光が集光されます。

メタレンズは、従来のガラスレンズで厚みや形状を変えて光を集める方式と比べて非常に薄く作ることが出来きるというメリットがあり、スマホカメラ等で近年注目を集めています。
一方で、従来のガラスレンズとは動作原理が異なるため、フォトニクス解析ソフトウェアでの設計解析が必要となります。

Lumericalでは、スクリプトベースの特性解析・モデルファイル作成機能があるため、単位構造の解析からメタレンズ全体の設計までの一連の操作が可能です。また、メタレンズのニアフィールドをZemax等の解析ツールに取り込み、更に詳細な伝搬解析を行うことも可能です。

メタレンズの解析事例

(a) 設計されたメタレンズの構造
最適な位相分布となるように
適切な突起物が配列している。

(b) 最適なレンズの位相分布
焦点位置を定めることで目標とする
位相分布が決定する。

Case 2 光通信

光通信は、低損失・大容量伝送を支える通信インフラの中核です。特にAI需要によるトラフィック激増を受け、光デバイスを電子回路と同一パッケージに統合する「光電融合」が、次世代技術として期待されています。

光通信デバイスの微細構造内での複雑な光挙動はもちろんのこと、光電融合では、光通信デバイスを電子回路と同じパッケージ内に近接統合させるため、熱・電気などの影響を考慮した解析（マルチフィジックス解析）が必要不可欠です。

Ansys Lumericalでは、デバイスレベルの解析からシステムレベルの解析までを一貫して行うことができます。さらに、Ansys HFSSとの連携により、伝送線路の高周波（RF）特性を考慮した解析も可能です。

光通信業界向けのソリューションの詳細はこちらをご覧ください。

(a)パッシブデバイスの解析

(b)アクティブデバイスの解析

(c)デバイスレベルからシステムレベルまでの設計・解析フロー

Case 3 波動光学と幾何光学の連携解析（Lumerical‐Zemax連携）

Ansys Lumerical と Ansys Zemax OpticStudio を連携することで、幾何光学の解析に波動光学の物理現象を取り込むことが可能になります。ナノ・マイクロスケールの微細構造によって生じる回折や散乱、位相変調といった効果を考慮したうえで、デバイス全体の光学性能を評価できます。

この連携では、Lumerical で解析した波動光学的な結果を、Zemax が読み込み可能な ZBFや JSON 形式などに変換して受け渡します。これにより、微細構造に起因する波動光学的挙動を反映した光源・素子モデルを用いて、幾何光学ベースの解析を行うことができます。

メタレンズや光通信デバイスは、構造サイズと動作スケールの両面で幅広い物理現象が関与するため、幾何光学または波動光学のどちらか一方だけでは、実際のデバイス挙動を十分に再現できません。波動光学と幾何光学を組み合わせて解析することで、実デバイスの挙動との乖離を抑え、より信頼性の高い設計・解析が可能となります。