在光子学领域,Lumerical FDTD作为一款功能强大的时域有限差分法仿真软件,广泛应用于模拟光在各种复杂结构中的传播特性。合理且精 确的配置是确保仿真结果准确性和高效性的关键,下面将详细介绍其配置要点。

一、基本模型构建与设置
1.几何结构搭建
导入外部模型:Lumerical FDTD 支持多种常见的 CAD 文件格式导入,如 STEP、IGES 等。这使得用户可以直接将在专 业机械设计软件中创建的复杂光子结构模型导入到 FDTD 中。例如,在设计集成光子芯片时,可将芯片的三维结构从 CAD 软件导入,减少在 FDTD 中重新建模的工作量和误差。
内置绘图工具建模:对于相对简单的几何形状,FDTD 提供了丰富的内置绘图工具。用户可以轻松创建矩形、圆形、多边形等基本几何形状,并通过拉伸、旋转等操作构建复杂的三维结构。例如,在构建光子波导时,可使用矩形工具绘制波导的横截面,再通过拉伸操作得到所需长度的波导。
2.材料参数设置
材料库选择:软件自带庞大的材料库,涵盖了常见的光学材料,如硅、二氧化硅、氮化硅等。用户只需在材料库中搜索相应材料,即可快速获取其光学常数,包括折射率、消光系数等。例如,在设计硅基光子器件时,直接从材料库中选择硅材料,软件会自动填充其在不同波长下的光学参数。
自定义材料:对于一些特殊材料或实验测量得到的材料参数,用户可以自定义材料属性。在自定义过程中,需输入材料在不同频率或波长下的电磁参数,以精 确模拟光与该材料的相互作用。
二、光源设置
1.光源类型选择
连续波光源(CW):适用于研究稳态光学现象,如光在波导中的传播损耗、谐振腔的稳态响应等。用户可以设置连续波光源的中心频率、偏振方向等参数。例如,在分析单模光纤的传输特性时,选择连续波光源并设置其偏振方向与光纤的偏振保持方向一致,以准确模拟光在光纤中的传输情况。
脉冲光源:用于研究瞬态光学过程,如超短脉冲在光子结构中的传播、光与物质的超快相互作用等。脉冲光源可设置脉冲宽度、中心频率、频谱分布等参数。例如,在研究飞秒激光与纳米结构的相互作用时,需要精 确设置脉冲光源的脉冲宽度和频谱,以模拟实际的飞秒激光脉冲特性。
2.光源位置与方向
位置设置:根据仿真需求,将光源放置在合适的位置。在模拟波导耦合时,需将光源精 确放置在波导的输入端口附近,确保光能够有效耦合进入波导。
方向设置:准确设置光源的发射方向,使其与所研究的光学结构的传播方向相匹配。例如,在模拟垂直腔面发射激光器(VCSEL)的出射光时,光源方向应设置为垂直于器件表面。
三、网格设置
1.网格类型
均匀网格:在结构相对简单、尺寸较大的区域,均匀网格划分能够快速完成且计算量较小。例如,在模拟光在自由空间中的传播时,可采用均匀网格。
非均匀网格:对于具有复杂几何形状或需要高精度模拟的区域,如纳米光子结构中的亚波长特征区域,非均匀网格可在保证精度的前提下减少计算量。非均匀网格能够在关键区域进行局部加密,在其他区域保持相对稀疏。
2.网格尺寸
空间分辨率:根据所研究的光子结构的zui小特征尺寸确定网格尺寸。一般来说,网格尺寸应至少小于zui小特征尺寸的十分之一,以确保能够准确捕捉光的传播细节。例如,对于具有 100 纳米特征尺寸的纳米天线,网格尺寸应设置为 10 纳米或更小。
时间步长:时间步长与空间网格尺寸密切相关,需满足 Courant - Friedrichs - Lewy(CFL)条件,以保证数值稳定性。软件通常会根据设置的空间网格尺寸自动计算推荐的时间步长,但用户也可根据实际情况进行微调。
四、边界条件设置
1.完美匹配层(PML)
应用场景:PML 是常用的边界条件之一,用于模拟开放空间,吸收从计算区域传播出去的光,避免反射回计算区域影响仿真结果。在模拟光在无限大介质中的传播、光子器件与外部环境的相互作用等场景中广泛应用。
参数设置:用户可以设置 PML 的厚度和吸收系数。一般来说,PML 厚度设置为几个网格尺寸,吸收系数根据具体仿真需求进行调整,以达到更佳的吸收效果。
2.周期性边界条件
应用场景:适用于具有周期性结构的光子系统,如光子晶体、光栅等。周期性边界条件可大幅减少计算量,通过模拟一个周期单元来推断整个周期性结构的光学特性。
设置方法:在 FDTD 中,只需指定周期性方向和周期长度,软件会自动识别并应用周期性边界条件。
五、仿真监控与输出设置
1.场监控器
电场与磁场监控:用户可以在计算区域内放置电场和磁场监控器,以获取特定位置和时刻的电场和磁场强度分布。例如,在研究光在波导中的模式分布时,在波导横截面放置电场监控器,可观察到不同模式下的电场分布情况。
功率监控:通过设置功率监控器,能够实时监测光在结构中的传输功率、反射功率和透射功率等。在评估光学器件的性能,如滤波器的插入损耗、反射器的反射率等方面具有重要作用。
2.仿真输出设置
输出数据格式:FDTD 支持多种输出数据格式,如 CSV、MATLAB 等,方便用户后续对仿真数据进行处理和分析。用户可根据自身需求选择合适的输出格式。
输出时间间隔:根据仿真时间和所需数据的详细程度,设置合适的输出时间间隔。对于长时间的仿真,适当增大输出时间间隔可减少数据存储量;对于瞬态过程的精细研究,则需设置较小的输出时间间隔。
Lumerical FDTD 的配置是一项系统且精细的工作,涵盖基本模型构建、光源设定、网格划分、边界条件界定以及仿真监控与输出等多个关键环节。这些配置要点相互关联、相互影响,共同决定了仿真结果的可靠性与实用性。只有深入理解并熟练掌握 Lumerical FDTD 的各项配置,才能充分发挥该软件在光子学研究中的强大功能,为新型光子器件设计、光传播特性分析等工作提供有力支持,推动光子学领域的不断创新与发展 。