集成光子芯片量子器件研究重要进展

前言：
中国科学技术大学郭光灿院士团队在集成光子芯片量子器件的研究中取得重要进展。该团队邹长铃、李明研究组提出人工合成光学非线性过程的通用方法，在集成芯片微腔中实验观测到高效率的合成高阶非线性过程，并展示了其在跨波段量子纠缠光源中的应用潜力。相关成果以“Synthetic five-wave mixing in an integrated microcavity for visible-telecom entanglement generation”为题于10月20日在线发表于国际学术期刊《自然·通讯》上。

自激光问世以来，非线性光学效应已经被广泛应用于光学成像、光学传感、频率转换和精密光谱等领域中。利用集成光子芯片上的微纳光学结构可以增强光子间的非线性相互作用，这已经成为目前国际上集成光学与非线性光学方向的研究热点。邹长铃研究组李明等人长期致力于集成光子芯片量子器件的研究，开拓微腔增强的非线性光子学，提出并证实了微腔内多种非线性过程的协同效应[PRL 126, 133601 (2021); PRA 98, 013854 (2018)]，开辟了室温下少光子、甚至单光子级的量子器件的新途径[PRL 129, 043601 (2022); PRApplied 13, 044013 (2020)]。现阶段，该研究组已经能够将非线性相互作用强度随阶次的衰减速率从10-10提升到10-5。即使如此，在集成光子芯片上实验观测到阶次大于三的高效率非线性效应依然极具挑战。

COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件以高效的计算性能和杰出的多场耦合分析能力实现了精确的数值仿真，其功能涵盖了力学、流体、电磁、传热、化工、电化学、声学等各个领域，为工程界和科学界解决了许多复杂的多物理场建模问题。目前，在Nature、Science、JACS、Angew等各个领域的期刊文章几乎都加入了仿真模拟来提升研究工作的高度。

光电作为物理类专业课程中极为重要的一部分，其教学内容一直受到各个高校的重视。
为解决大家在光学软件仿真学习过程中遇到的问题，应广大新老客户的学习需求特举办“COMSOL多物理场光电仿真/FDTD时域有限差分数值模拟”系列专题线上培训班，本次培训主办方为北京软研国际信息技术研究院，承办方互动派（北京）教育科技有限公司，具体相关事宜通知如下：

仿真专题培训会

COMSOL 多物理场光电仿真技术与应用（点击查看详情）
2023年7月29日-7月30日
2023年8月05日-8月06日
在线直播（授课四天）

FDTD 时域有限差分数值模拟方法与应用（点击查看详情）
2023年7月22日-7月23日
2023年7月29日-7月30日
在线直播（授课四天）

HFSS 电磁仿真及应用，CST 电磁仿真及应用（点击查看详情）

01简介
COMSOL 多物理场光电仿真技术与应用

一、案例图示

二、大纲

（一）案列应用实操教学：
案例一	光子晶体能带分析、能谱计算、光纤模态计算、微腔腔膜求解

案例二	类比凝聚态领域魔角石墨烯的moiré 光子晶体建模以及物理分析
案例三	传播表面等离激元和表面等离激元光栅等
案例四	超材料和超表面仿真设计，周期性超表面透射反射分析
案例五	光力、光扭矩、光镊力势场计算
案例六	波导模型（表面等离激元、石墨烯等）本征模式分析、各种类型波导传输效率求解
案例七	光-热耦合案例
案例八	天线模型
案例九	二维材料如石墨烯建模
案例十	基于微纳结构的电场增强生物探测
案例十一	散射体的散射，吸收和消光截面的计算
案例十二	拓扑光子学：拓扑边缘态和高阶拓扑角态应用仿真
案例十三	二硫化钼的拉曼散射
案例十四	磁化的等离子体、各向异性的液晶、手性介质的仿真
案例十五	光学系统的连续谱束缚态
案例十六	片上微纳结构拓扑优化设计(特殊情况下，利用二维系统来有效优化三维问题)
案例十七	形状优化反设计：利用形状优化设计波导带通滤波器
案例十八	非厄米光学系统的奇异点：包括PT对称波导结构和光子晶体板系统等
案例十九	微纳结构的非线性增强效应，以及共振模式的多极展开分析
案例二十	学员感兴趣的其他案例

（二）软件操作系统教学：

COMSOL

软件入门

初识COMSOL仿真——以多个具体的案例建立COMSOL仿真框架，建立COMSOL仿真思路，熟悉软件的使用方法

COMSOL软件基本操作

参数，变量，探针等设置方法、几何建模
基本函数设置方法，如插值函数、解析函数、分段函数等
特殊函数的设置方法，如积分、求极值、求平均值等
高效的网格划分

前处理和后处理的技巧讲解

特殊变量的定义，如散射截面，微腔模式体积等
如何利用软件的绘图功能绘制不同类型的数据图和动画
数据和动画导出
不同类型求解器的使用场景和方法

COMSOL

软件进阶

COMSOL中RF、波动光学模块仿真基础

COMSOL中求解电磁场的步骤
RF、波动光学模块的应用领域

RF、波动光学模块内置方程解析推导

亥姆霍兹方程在COMSOL中的求解形式
RF方程弱形式解析，以及修改方法(模拟特殊本构关系的物质)
深入探索从模拟中获得的结果

（如电磁场分布、功率损耗、传输和反射、阻抗和品质因子等）

边界条件和域条件的使用方法

完美磁导体和完美电导体的作用和使用场景
阻抗边界条件、过度边界条件、散射边界条件、周期性边界条件的作用
求解域条件：完美匹配层的理论基础和使用场景、 PML网格划分标准
远场域和背景场域的使用
端口使用场景和方法
波束包络物理场的使用详解

波源设置

散射边界和端口边界的使用方法和技巧（波失方向和极化方向设置、S参数、反射率和透射率的计算和提取、高阶衍射通道反射投射效率的计算）
频域计算、时域计算
点源,如电偶极子和磁偶极子的使用方法
背景场的作用及使用方法

材料设置

计算模拟中各向同性,各向异性,金属介电和非线性等材料的设置
二维材料,如石墨烯、MoS2的设置
特殊本构关系材料的计算模拟(需要修改内置的弱表达式)

网格设置

精确仿真电磁场所需的网格划分标准
网格的优化
案列教学

COMSOL WITH MATLAB功能简介

COMSOL WITH MATLAB 进行复杂的物理场或者集合模型的建立(如超表面波前的衍射计算)
COMSOL WITH MATLAB 进行复杂函数的设置(如石墨烯电导函数的设置和仿真)
COMSOL WITH MATLAB 进行高级求解运算和后处理
COMSOL WITH MATLAB求解具有色散材料的能带

FDTD 时域有限差分数值模拟方法与应用

一、案例图示

二、大纲

课程	内容
FDTD基础入门	1 FDTD Solutions 求解物理问题的方法 1.1 FDTD与麦克斯韦方程 1.2 FDTD中的网格化 2 FDTD Solutions 特点与应用 3 FDTD功能与使用Ø 主窗口——CAD人机交互界面计算机辅助设计（CAD）模拟编辑器:主标题栏、工具条、实体对象树实体对象库、脚本提示与脚本编辑窗口
FDTD仿真流程	4 FDTD仿真通用流程 Ø 激励光源选择及设置（以左旋圆偏光的设置为例） Ø 模拟的实体对象：基底、结构（Structures）的选择及设置 Ø 仿真区域及其设置（以区域大小设置及mesh选择为例） Ø 不同监视器功能及使用（以超构表面频域功率监视器设置为例） Ø 材料库与材料浏览器（以多晶硅与二氧化钛的数据导入为例） Ø 模拟计算与分析：资源管理、运行模拟 Ø 结果分析：视觉化器使用Visualize、使用脚本进行高级分析
FDTD仿真实例	实例内容：（一）设置Pancharatnam–Berry型超构表面结构，单元旋向及位置（二）传输型超构表面单元的结构扫描与选取（三）传输型超构表面的相位分布设置（四）通过相位叠加螺旋相位模拟生成漩涡光（五）超构表面的透过率/聚焦效率的分析（六）不同偏振态的光入射下，验证传输型超构表面偏振不敏感性（七）利用脚本由近场计算远场（八）利用脚本的导出结果及MATLAB结果分析—偏振转换效率计算（九）利用TFSF计算纳米结构散射场信息（十）利用TFSF和自定义材料计算复合结构散射场信息（十一）利用MATLAB计算结果及脚本设置超构表面—生成全息图形（十二）利用导入光源进行任意光源设置（十三）利用脚本构建波导结构（十四）波导截面本征模式分析
模拟论文复现	5 PB型超构表面设计：生成聚焦及涡旋光斑----（根据发表在Science上的论文） 6 PB型超构表面设计：生成Airy光束----(根据发表在ACS NANO上的论文) 7 传输型超构表面设计：生成Airy光束----（根据发表在Photonics Research上的论文） 8 等离子激元纳米结构光学特性以及有效介质理论计算复合结构的光学特性：量化散射截面与吸收截面----（根据发表在ACS Nano上的论文） 9 渐变耦合双波导设计：波导本征模式转换----（根据发表在Physical Review Letters上的论文） 10 L型截面波导设计：不同偏振波导本征模式转换----（根据发表在Physical Review Letters上的论文）

02讲师简介
COMSOL专题来自国家“双一流”建设高校、“211工程”“985工程”重点高校。授课讲师有着丰富的COMSOL使用经验，以第一/通讯作者在《Nature Communications》、《 Physical Review Letters》、《Advanced Materials》等国际Top期刊发表论文数十篇。
擅长领域：微纳光子学、拓扑光子学、非厄米光子学、光芯片、电磁超材料器件等。FDTD专题主讲毕业于德国海德堡大学和马普学会光学研究所，多年来一直致力于纳米光子学的相关研究。授课讲师有着丰富的FDTD使用经验。在《ACS Nano》、《Laser & Photonics Reviews》、《Advanced Optical Materials》、《Photonics Research》、《Nanophotonics》等国内外学术刊物上发表论文近五十篇。
擅长领域：超构表面、表面等离子体、光存储、显微成像、医学光学等方向。

03特色
1. 本次系列课程共两个专题，均采用在线直播（理论+实操）、Step by step的教学方式、课堂上连麦答疑、课后提供无限次回放视频，发送全部案例模型文件，建立永不解散的课程群，长期互动答疑；课堂上以具体案例和科研论文为实例，讨论在处理具体问题时如何应用专业软件以及如何做出能够发表的结果；
2. 专题一课程通过模块详解掌握各种边界条件和域条件的设置方法和技巧，区分每个边界条件或域条件应该在什么场景中应用。了解借助 COMSOL在理想或多物理场环境下分析、评估、预测射频、微波和毫米波等行业中涉及的器件的性能的方法，满足当前和未来发展。
3. 专题二课程通过FDTD仿真实例以及论文模拟复现的形式，带大家使用FDTD Solutions及相关软件构建数值建模研究的方法。多个场景案例的应用讲解，学习借助FDTD在超构表面设计、超构透镜设计、纳米结构的光学特性研究、波导结构设计等多个方向的研究。学员群课后交流讲师随时解答：

04报名须知
时间地点COMSOL 多物理场光电仿真技术与应用
2023年7月29日-7月30日
2023年8月05日-8月06日
在线直播（授课四天）

FDTD 时域有限差分数值模拟方法与应用
2023年7月22日-7月23日
2023年7月29日-7月30日
在线直播（授课四天）

1、凡报名学员将获得所学专题培训书本或电子版课件及所学专题所有案例模型文件；
2、培训结束可获得本次所学专题课程全部无限次回放视频；
3、价格优惠：
优惠一：2023年7月3日前汇款可享受200元早鸟价优惠（仅限前十名）；
优惠二：同一人报名两个及以上专题，可享受额外优惠；
4、学员提出的各自遇到的问题在课程结束后可以长期得到老师的解答与指导；
5、参加培训的学员，可获得：北京软研国际信息技术研究院培训中心颁发的《COMSOL仿真应用工程师》《FDTD仿真应用工程师》专业技能结业证书；

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