Lumerical FDTD作为一款强大的微纳光子器件仿真工具，其操作流程虽涉及多个环节，但只要掌握核心步骤，从零开始完成仿真并非难事。本文将以微环调制器仿真为例，详细介绍FDTD的使用方法，帮助新手快速上手。

一、前期准备：软件与基础知识

1.软件安装

安装教程通常可在本地路径（如D盘ANSYS文件夹）找到，按照步骤操作即可完成安装。建议安装前确认电脑配置是否满足运行要求，避免因性能不足导致仿真卡顿或失败。

2.核心概念回顾

仿真前需明确FDTD的基本组成：结构、材料、光源、仿真区域、监视器，以及边界条件（如PML、金属层、周期性边界等）的作用，这些是搭建仿真模型的基础。

二、仿真步骤：以微环调制器为例

2.1结构设计：搭建仿真模型

导入或绘制结构

打开FDTD软件，在“Component”中可直接调用预设的微环结构，也可手动绘制。例如微环调制器的典型参数为：内半径2.5μm，微环波导宽500nm，直波导宽350nm，波导高度统一（具体需参考设计需求）；衬底为Si，上层Si厚度260nm，SiO₂包层厚度1μm（20nm薄SiO₂层为工艺预留，仿真可省略）。

若需修改结构，右键点击“Breakgroup”拆分组合结构，删除多余部分后单独调整各部件参数（如尺寸、位置）。

设置材料属性

从FDTD材料库中选择材料（如Si、SiO₂），若有自定义材料，可通过“Import”功能导入。注意材料的折射率、色散等参数需与仿真波长匹配。

2.2光源与监视器设置

添加光源

根据仿真需求选择合适的光源，微环调制器仿真中常用模式光源（模拟波导中的TE/TM模）或高斯光源（模拟激光器输出）。添加后需调整光源位置，确保其与波导输入端对齐。

配置监视器

监视器用于采集仿真数据，微环调制器需重点监测直波导输出的透射谱（透射率与波长的关系）：

右键点击监视器，选择“Edit”，将方向设置为与x轴垂直（匹配波导输出方向）；

拖动监视器边缘调整尺寸，放置在直波导输出端，避免覆盖结构中间区域（需取消“snaptogrid”勾选以自由调整）；

若为二维仿真，探测器需设为“LinerY”（线监测器）。

2.3仿真区域与边界条件

定义仿真区域

通过“Simulation-addFDTD仿真区域”手动调整大小，确保覆盖所有结构和光源。例如微环调制器的仿真区域需包含微环、直波导及周围足够空间（避免边界效应影响）。

设置边界条件

Y方向：若该方向无光照，可设为“metal”（金属层），实现100 %反射，且计算速度zui快；

其他方向：若需消除边界反射，选择“PML（完美匹配层）”；若结构为周期性，可设为“周期性边界条件”。

2.4网格与仿真参数优化

调整网格精度

网格精度由“meshaccuracy”（1-8）控制，默认取2即可满足一般需求。若需提高耦合区域（如微环与直波导靠近处）的计算精度，可手动添加“Mesh”，自定义局部网格大小（如加密网格至每波长10个点）。

通过“Viewsimulationmesh”查看网格分布，确保关键区域网格足够精细。

设置仿真时间与背景

仿真时间需足够长，确保场强在仿真区域内充分传播并达到稳定（可参考软件默认值，复杂结构需适当延长）。

背景折射率可直接设置为SiO₂的折射率（约1.44），或通过添加SiO₂结构模拟包层环境。

2.5运行仿真与结果分析

启动仿真

点击“Run”运行仿真，若出现“engineerror”，检查MPI路径是否设为“localcomputer”（本地计算），修改后重新运行。

查看结果

右键点击监视器，选择“E（电场）”查看场分布，或“T（透射谱）”获取透射率曲线。

分析透射谱中谐振峰的位置（对应微环的谐振波长），若与理论值偏差较大，需检查结构参数、网格精度或边界条件设置。

三、常见问题与解决技巧

网格过粗导致结果失真：在关键区域添加局部加密网格，平衡精度与计算效率。

边界反射干扰：将非金属边界替换为PML，或扩大仿真区域减少边界与结构的距离。

光源不匹配：若透射率为0，检查光源模式是否与波导模式匹配（可通过MODE工具预先计算波导模式）。

通过以上步骤，即可从零开始完成FDTD仿真。实际操作中需结合具体器件（如波导、超表面）的特性调整参数，多练习不同案例可快速提升熟练度。