一、为什么 TMM 在光学仿真中如此重要？
在光学滤波器、光电探测器、太阳能电池以及各类薄膜光学器件中，多层膜结构几乎无处不在。
而在这类一维分层结构中，TMM（Transfer Matrix Method，传输矩阵法）因其：
- 计算速度快
- 数值稳定
- 物理意义清晰
- 工程可用性强
长期以来成为 工业界与学术界的主流算法。
本文将系统梳理：
- 主流 基于 TMM 的商用光学仿真软件
- 它们服务的 应用领域
- 典型 企业 / 科研机构 / 高校用户
- 以及 TMM 与 RCWA、FDTD 等方法的竞争关系
二、光学滤波器领域（Optical Filters）
1. 主流软件与厂商
该领域几乎完全由 多层薄膜设计软件主导，核心算法就是 TMM。
代表性软件：
- OptiLayer（OptiLayer GmbH）
- TFCalc（Software Spectra）
- Essential Macleod（Thin Film Center）
- FilmStar（FTG / Coating Software）
核心能力：
- 多层膜反射 / 透射 / 吸收光谱计算
- 偏振、入射角、相位、群延迟（GD/GDD）分析
- 自动优化（Needle、遗传算法等）
- 丰富的材料 n,k 数据库
- 与实际镀膜监控系统对接
👉 在干涉滤光片、分色镜、带通/截止滤波器中，这类软件几乎是“行业标配”。
2. 典型客户
企业（示例）
- ZEISS（蔡司）
- Thorlabs
- Edmund Optics
- Materion Balzers
- SCHOTT
- Coherent
- II-VI
- Oerlikon Balzers
- OptoSigma
- JDSU
科研机构
- Fraunhofer 光学研究所
- 中科院光电技术研究所
- 中科院上海光机所
- Max Planck 学会
- NREL（美国国家可再生能源实验室）
- NASA JPL
- CNRS（法国国家科研中心）
- RIKEN（日本理化学研究所）
- NPL（英国国家物理实验室）
- ETRI（韩国电子通信研究院）
高校
- 麻省理工学院（MIT）
- 斯坦福大学
- 清华大学
- 北京大学
- 东京大学
- 苏黎世联邦理工（ETH）
- 慕尼黑工业大学
- 佐治亚理工学院
- 悉尼大学
- 清华大学深圳研究生院
三、光电探测器领域（Photodetectors）
1. 软件生态特点
光电探测器不仅关心光谱，还关心：
- 电场分布
- 吸收位置
- 与电学模型的耦合
因此常见组合是：
- TMM 薄膜软件：设计增透膜 / 吸收层
- 全波软件：验证复杂结构
常用商业软件：
- OptiLayer / TFCalc / FilmStar（薄膜）
- Ansys Lumerical（STACK + FDTD）
- COMSOL Multiphysics
- Synopsys RSoft
其中 Lumerical STACK 模块本质上就是 TMM，用于快速多层结构分析。
2. 典型客户
企业
- Hamamatsu
- OSRAM Opto Semiconductors
- Coherent
- Thorlabs
- Rockley Photonics
- LIGENTEC
- Photonect
- Sony（CMOS）
- Samsung（图像传感器）
- ams-OSRAM
科研机构
- Fraunhofer IAF
- Bell Labs
- 中科院微电子所
- 清华大学微纳电子中心
- IMEC
- RIKEN
- CEA-Leti
- A*STAR
- CNRS
- NICT（日本）
高校
- MIT
- Stanford
- UC Berkeley
- 清华大学
- 浙江大学
- 东京大学
- KAIST
- 剑桥大学
- EPFL
- NUS
四、太阳能电池（Photovoltaics）
1. TMM 在光伏中的角色
在薄膜太阳能电池中，TMM主要用于：
- 抗反射层设计
- 多层吸收结构分析
- 光谱吸收率计算
常见工具：
- OptiLayer / TFCalc / FilmStar
- Ansys Lumerical FDTD
- COMSOL Multiphysics
2. 典型客户
企业
- First Solar
- SunPower
- 隆基绿能
- 晶科能源
- 阿特斯
- 汉能
- Trina Solar
- Meyer Burger
- REC Solar
- Oxford PV
科研机构
- NREL
- Fraunhofer ISE
- 中科院广州能源所
- Helmholtz Zentrum
- AIST（日本）
- ECN（荷兰）
- CSIRO
- SERIS（新加坡）
- KAUST
- CEA
高校
- 清华大学
- 北京大学
- UC Berkeley
- 东京工业大学
- 慕尼黑工业大学
- 剑桥大学
- EPFL
- NUS
- KAUST
- UNSW
五、薄膜光学器件 / 多层膜通用领域
1. 软件特点
该领域覆盖：
- 反射镜
- 分束器
- 超快激光镜
- 功能膜层
核心需求：
- 相位 / 群延迟 / 色散控制
- 制造容差分析
- 与镀膜工艺联动
主流软件：
- Essential Macleod
- OptiLayer
- FilmStar
- TFCalc
- Zemax OpticStudio（系统级）
2. 典型客户
企业
- ZEISS
- Corning
- Coherent
- Thales
- Edmund Optics
- Newport
- Nikon
- Canon
- HOYA
- Lumentum
科研机构
- Max Planck 光学所
- 中科院上海硅酸盐所
- Fraunhofer IOF
- CNRS
- JILA
- NIST
- RIKEN
- A*STAR
- Helmholtz
- PSI
高校
- 清华大学光学工程系
- 北京理工大学
- 浙江大学
- 俄亥俄州立大学
- 亚利桑那大学（光学中心）
- 剑桥大学
- EPFL
- ETH Zurich
- 东京大学
- 慕尼黑工业大学
六、TMM vs RCWA vs FDTD：谁在“取代”谁？
| 方法 | 适用场景 | 特点 |
|---|---|---|
| TMM | 平面多层膜 | 快、稳定、工程化 |
| RCWA | 周期结构 | 精确，但参数复杂 |
| FDTD | 任意结构 | 最通用，但计算量大 |
👉 结论很明确：
- TMM 不会被取代
- 它在工业多层膜设计中仍是主力
- RCWA / FDTD 是“补充”，而不是替代
七、总结
- TMM 是光学多层膜设计的工业基础设施
- 商用软件已高度成熟，深度绑定制造流程
- 在滤波器、探测器、光伏、薄膜器件中长期存在
- 全波方法正在扩展边界，但无法全面替代
如果你做的是：
- 多层膜
- 光学滤波器
- 光伏
- 探测器结构设计
👉 那你几乎一定会长期使用 TMM 软件。
