从前沿的量子计算到普及的消费电子光学元件，从复杂的光通信网络到新兴的增强现实（AR）与虚拟现实（VR）设备，每一项创新突破的背后，都离不开精准高效的仿真工具支持。Lumerical作为行业内光子学仿真的指引者，其2024 R2版本的发布，再次为光子学领域带来了一系列具有变革性的新功能与优化，显著提升了设计效率、拓展了应用边界，助力科研人员与工程师将创意转化为现实。

一、核心技术增强：为高精度仿真赋能

（一）CMOS图像传感逆向设计进阶

在CMOS图像传感器的设计中，对光信号的精准捕捉与处理至关重要。Lumerical 2024 R2在光子逆向设计方面取得重大进展，尤其是在基于伴随方法的优化框架（LumOpt）及Python API上实现了两项关键改进。新增的品质因数，可针对传感器不同区域的电场分布进行针对性优化。

在复杂的图像传感器阵列中，不同像素区域对光的敏感度与响应特性存在差异，通过该品质因数，工程师能够根据实际需求，精准调控各区域的电场，确保光线在不同像素处都能被高效收集与转化，提升图像传感器的整体性能。同时，新引入的场区域对象，巧妙地将监视器与记录源整合，极大简化了二维与三维仿真流程。

在传统设计中，设置监视器与记录源以获取精确的场数据，常需复杂的参数配置与步骤操作，新的场区域对象使得这一过程变得直观简洁，工程师能够更专注于设计本身，快速验证与优化设计方案。以彩色路由器超表面的逆向设计为例，借助这些改进，能有效提升其效率，显著降低串扰问题，确保每个像素获取纯净的光信号，最终输出高分辨率、色彩还原准确的图像。

（二）严格耦合波分析（RCWA）求解器强化

RCWA求解器在分析周期性光学结构（如光子晶体、衍射光栅）方面应用广泛。2024 R2版本为其增添了多项实用功能。Li factorization选项的加入，针对一维金属光栅的仿真，大幅提升了收敛速度。

在过往对金属光栅进行仿真时，由于其复杂的电磁特性，收敛过程耗时较长，严重影响设计效率。该选项通过优化算法，使得计算过程能更快达到稳定解，让工程师能在短时间内完成多组参数迭代，快速筛选出更优设计方案。

在运行仿真前，新增的折射率预览功能，允许用户直观查看设定的折射率分布情况。这一功能如同为设计过程增添了“透视镜”，在正式计算前，工程师就能提前发现折射率设置中的不合理之处，如局部折射率突变、分布与预期不符等问题，并及时调整，避免了因折射率设置错误导致的无效仿真，节省了大量计算资源与时间。

在内存管理方面，软件不仅在记录场数据时支持更多线程操作，提升数据处理效率，还在用户界面（UI）与日志文件中新增详细的内存报告，让用户对仿真过程中的内存使用情况一目了然。无论是在处理大规模模型，还是在进行长时间复杂仿真时，用户都能根据内存报告合理调整系统资源，确保仿真稳定运行，避免因内存不足导致的计算中断。

（三）SiGe QCSE电吸收调制器仿真优化

基于量子约束斯塔克效应（QCSE）的硅锗（SiGe）电吸收调制器，在高速光通信领域具有重要应用价值。Lumerical 2024 R2 通过整合Lumerial CHARGE和多量子阱（MQW）求解器，显著增强了对这类调制器的仿真能力。新版本支持8×8k.p方法，该方法能更精确地描述半导体材料中电子的能带结构与跃迁特性，对于SiGe这种具有复杂能带结构的材料而言，能提供更贴合实际的电子行为模拟，使仿真结果更接近真实器件性能。

在处理激子模式时，引入变分算法，有效提升了对激子相关物理过程的模拟精度。激子的产生、复合以及与光子的相互作用，对电吸收调制器的性能有着关键影响，准确模拟激子模式能帮助工程师深入理解调制器的工作机制，优化设计参数。同时，软件新增的梯度合金特征，能够更真实地模拟SiGe材料在实际制备过程中由于成分梯度变化对器件性能的影响。通过这些改进，仿真得到的吸收结果与实际测量数据高度匹配，为SiGe QCSE电吸收调制器的设计与优化提供了坚实可靠的理论依据，加速了高性能光通信器件的研发进程。

二、工作流程优化：提升设计效率与协同性

（一）图层生成器功能拓展

在光子集成电路（PIC）设计中，精确且高效的图层定义与管理是确保设计成功的基础。Lumerical 2024 R2对图层生成器进行了全面升级，支持多层侧角波导设计，并且针对每一层波导，用户都能独立设置侧角参数。这一功能在实际应用中具有重要意义，例如在设计复杂的光波导耦合结构时，不同层波导的侧角差异能够有效调控光场的耦合效率与传播方向，实现更紧凑、高效的光子电路布局。新的图层生成器支持从脚本进行更新，这为自动化设计流程提供了便利。工程师可以通过编写脚本，快速批量生成不同参数的图层，实现设计的快速迭代。

在探索新型光子器件结构时，可能需要对波导的宽度、侧角、间距等参数进行大量组合测试，借助脚本更新功能，能极大缩短设计周期。同时，图层生成器与3D模型视图完全兼容，用户在创建和编辑图层的过程中，可以实时在3D模型中查看设计效果，直观地了解各图层之间的空间关系以及光场在其中的传播路径，及时发现设计中的潜在问题并进行调整。此外，图层生成器还支持在 GDS层之间进行布尔运算，方便用户对复杂的图形结构进行整合与修改，进一步提升了设计的灵活性与效率。

（二）CML编译器模型升级

CML编译器作为Lumerical生态系统中重要的一环，负责将光子器件的设计转化为可用于电路仿真的紧凑模型。2024 R2版本对CML编译器中的Verilog-A参数化PD（光电探测器）模型进行了显著增强。

在模拟准确的负载效应方面，引入电气等效电路，该电路能够更真实地反映光电探测器在实际电路中与其他元件的相互作用，包括电阻、电容、电感等因素对信号传输与转换的影响。通过精确模拟负载效应，工程师可以在电路级仿真中准确评估光电探测器的性能，优化电路匹配，提高整个光电器件系统的信号质量。

在处理通道串扰问题时，新增的混频功能能够有效模拟不同通道之间的信号干扰情况。在高密度的光通信系统中，通道串扰是影响系统性能的关键因素之一，通过CML编译器的混频模拟，工程师可以提前预测串扰程度，并通过调整电路布局、优化器件参数等方式加以抑制。

为了更精确地计算信噪比（SNR）和误码率（BER），软件引入散粒噪声模型。散粒噪声是光电探测器中固有的噪声源，对系统的灵敏度和数据传输准确性有着重要影响。通过准确模拟散粒噪声，结合电气等效电路与混频功能，工程师能够在设计阶段全面评估光电器件在实际工作环境下的性能表现，确保设计满足高性能光通信系统的严格要求。

（三）Klayout-Lumerical多物理场工作流程改进

Klayout作为一款广泛使用的集成电路版图设计工具，与Lumerical的协同工作对于光子学设计至关重要。2024 R2在两者的多物理场工作流程上实现了多项改进。

在波导端口处理方面，新增直波导和弯曲波导端口延伸功能，能够将波导延伸到仿真区域之外。在传统仿真中，波导结构边缘容易产生反射，影响仿真结果的准确性，端口延伸功能有效避免了这一问题，确保光场在仿真区域内能够稳定传播，提升了仿真精度。在设置端口时，软件实现了任意光入射角的自动端口设置，极大简化了复杂光学结构的端口配置过程。

在设计具有复杂角度入射光的光学系统（如一些特殊的光耦合器、光传感器）时，工程师无需手动繁琐地计算和设置端口参数，软件能够根据模型结构和入射光条件自动生成合适的端口，提高了设计效率。通过Klayout Python API实现的直接桥接通信，性能提升了5倍之多，使得数据在Klayout与Lumerical之间的传输更加高效流畅。

在进行大规模光子集成电路设计时，频繁的数据交互对通信效率要求极高，性能的大幅提升确保了设计师能够在两个工具之间快速切换操作，及时获取反馈，加速设计进程。同时，结合GDSFactory开源布局软件，Lumerical INTERCONNECT平台推出全新的PIC原理图驱动设计工作流程。设计师可以先在Lumerical INTERCONNECT中设计PIC原理图并进行仿真验证，然后将SPICE 网表导出至GDSFactory工具，实现自动布局和布线，进一步打通了从原理设计到实际版图实现的全流程，提高了光子集成电路设计的整体效率与可实现性。

三、新功能拓展应用边界：解锁更多可能

（一）引入全新品质因数拓展逆向设计

在光子学器件的逆向设计中，Lumerical 2024 R2引入了一种全新的品质因数，这一创新为设计优化带来了灵活性与精准度。传统的逆向设计往往局限于对有限几个参数的优化，难以满足日益复杂的光子学应用需求。新的品质因数允许用户针对仿真域内不同区域的电场进行定制化优化。在设计集成光子芯片时，芯片不同功能区域（如光信号处理区、光耦合区、光探测区）对电场分布有着不同的要求，通过该品质因数，工程师能够分别对这些区域的电场进行独立调控，实现整个芯片性能的最优化。这种精细化的优化方式，使得设计师能够突破传统设计思路的限制，探索出更具创新性的光子学器件结构，为高性能光子学产品的研发提供了有力支持。

（二）支持不规则操作数提升公差设计能力

在实际的光学器件制造过程中，公差不可避免地会对产品性能产生影响。Lumerical 2024 R2在公差设计方面取得重要突破，新增对iso drawing notation 3 | a (b /c)中不规则操作数的支持。通过这一功能，工程师可以轻松对旋转对称不规则性（RSI）、均方根总不规则性、峰峰值功率以及峰谷不规则性等关键公差指标进行精确分析与设计。在设计高精度的光学镜头时，镜片表面的微小不规则性会导致光线散射、像差增大等问题，影响成像质量。借助新的公差设计功能，设计师能够在设计阶段充分考虑这些不规则因素，通过优化光学元件的制造公差，确保产品在允许的公差范围内仍能保持良好的光学性能，提高产品的良品率与稳定性。

（三）实现黑箱系统物理光学传播分析

随着光子学技术在各个领域的深入应用，保护敏感设计信息的需求日益凸显。Lumerical 2024 R2创新性地实现了在黑箱系统中进行物理光学传播（POP）分析的功能。这意味着在对包含敏感或专有设计信息的光学系统进行波光学分析时，无需暴露内部详细结构，即可准确评估系统的光学性能。在一些涉及商业机密的光学产品研发项目中，企业可能需要与外部团队合作进行部分光学性能测试，但又不希望泄露核心设计内容。通过黑箱系统的POP分析，企业可以将内部设计封装为黑箱，外部团队仅能通过特定接口输入测试参数并获取分析结果，既实现了必要的技术协作，又保障了设计信息的安全，为光子学技术在复杂商业环境下的合作研发与应用推广提供了有力的技术支撑。

Lumerical 2024 R2版本凭借在核心技术、工作流程以及应用功能方面的全方位升级，为光子学领域的科研人员与工程师们提供了更为强大、高效且智能的设计仿真平台。无论是在基础研究中探索新型光子学现象，还是在工业生产中优化现有光子学器件与系统，这些新功能都将发挥重要作用，推动光子学技术不断向前发展，助力更多创新的光子学应用从理论走向实践。