加拿大Lumerical微纳光学软件FDTD Solutions经典问题集赵海军Email：zhaohj@https://www.doczj.com/doc/209205156.html, Tel：136 **** ****
基于时域有限差分法（FDTD）的高性能多处理器麦克斯
韦方程求解软件，可用于纳米光学器件、过程和材料的设
计、分析和优化。
1. FDTD Solutions概述
FDTD Solutions是一款高性能三维麦克斯韦方程求解软件，能够用来分析波长尺度特征的复杂结构与紫外、可见和红外辐射的相互作用。通过其特有的多系数材料建模功能，FDTD Solutions能够准确地模拟宽波长范围内的材料色散，因而用户能够高效率地计算器件在很宽谱带内的响应。其高度优化的计算引擎能够充分利用多核计算系统--从笔记本电脑到高性能计算集群，以及内置的优化模块能加速优化纳米光学器件，FDTD的Solutions是光电子设计行业专业工程师和科学家的首选。
2. 使用FDTD Solutions主要功能
?可以进行虚拟原型的试制，从而降低昂贵的物理原型试制；
?可以充分利用最先进的计算系统进行大量的设计评估；
?可以方便客户快速的运用，从而提高生产力。
3. FDTD Solutions主要特点
?自适应网格技术—内存需要小
?超短的脉冲光源—仿真速度快
?共形网格技术—仿真精度高
?Bloch边界条件—斜入射平面波
?多系数材料模型及其显示—高精度材料特性
?集成性：一款软件不拆分，充分发挥FDTD的全部功能
?FDTD 8.5 可以添加几乎任意材料
–各种非线性（泡克尔，克尔，磁光等）
–增益饱和材料
–时变材料
?强大的文本程式脚本语言
?自动视频输出
?同时获得时域数据（实数）和频域数据（复数）！
?包含优化模块
?包含共形网格技术在内的高级网格算法
?任意旋转的模式分解监视器
?模式光源可以任意旋转
?直观的视觉化工具
?……
4. FDTD Solutions主要应用
FDTD Solutions用于解决各种各样的应用，涉及光的散射、衍射和辐射传播，如：
已经用于许多工程问题，部分如下：
了解更多信息(EN)?
固体照明
LED的亚波长纹理结构增加光萃取效率，但需要像FDTD Solutions这样
的软件工具来优化LED的微结构。
了解更多信息(EN)?
5. 重要资料索引
软件官方网站：https://www.doczj.com/doc/209205156.html,/cn/tcad-products/fdtd/
FDTD Solutions 8.6版最新简介：https://www.doczj.com/doc/209205156.html,/cn/tcad-products/fdtd/
MODE Solutions 6.5版最新介绍：https://www.doczj.com/doc/209205156.html,/cn/tcad-products/mode/ INTERCONNECT 3.0版最新介绍：https://www.doczj.com/doc/209205156.html,/cn/tcad-products/interconnect/ DEVICE 3.0版最新介绍：https://www.doczj.com/doc/209205156.html,/cn/tcad-products/device/
Q1：电场分布图中右边标尺上的数字的意义是什么？
A：这个要看你在Visualier里怎么设置了，如果是缺省设置，它是总电场的绝对值，即sqrt(Ex^2+ey^2+ez^2)。你可以在里面设置看绝对值、强度、某分量的实、虚部，位相等。
Q2：如何模拟太阳光谱？
我觉得即使用太阳光谱计算材料的反射或吸收光谱，与用平面光源计算的结果是一样的。因为某一波长吸收率是材料吸收的光功率与入射的光功率之比。不知对不对？
A：一般的测量都是相对测量，因此仿真也用相对测量。“相对”就是与光源的光谱具体分布没有关系。太阳光谱在一天内是有变化的，目前常用的有两个模型。
Q3：FDTD Solutions是如何来求得色散材料的ε和σ的？
A：请大家参考：
https://www.doczj.com/doc/209205156.html,/cn/fdtd/ref_matdb_permittivity_models.html
Q4：为什么100微米厚的玻璃的透射率计算为0? 用的是
Object defined dielectric，index 1.5；glass index1.5，glass SiO2。
A：这个是因为仿真时间太短。对于有玻璃的模拟，玻璃的厚度要取多少合适? 有点厚度就可以了，玻璃太薄了会出现干涉条纹。
A：这个并不限制，只要你的结构是这样，就可以，注意仿真只需要一个周期。
Q6：使用FDTD Solution怎么算45°和-45°的透射率？还有怎么计算相位差？
A：（1）设置光源的入射角为你想要的角度；（2）当你获得Ex、Ey、Ez之后，可以使用“angle”获得相位差分布：ex_phase=angle(Ex)，其它类似，但要注意：FDTD Solutions软件直接获得的结果是个四维的矩阵：x, y, z and f，而你想要的应该是1D的
Q7：光源的纵坐标代表什么意思（下图的纵坐标）
A：前面两个是光谱分布，纵坐标是相对强度，最大值是1。
下面的这个是光源的时间信号，估计你用Zoom了，所以振幅老是负值。
Q8：dipole光源和planwave的工作原理是什么呢？
A：Dipole就是偶极子光源，是在一定的Momentum动量的情况下激发的，因此其实际辐射功率将随周围环境而变；
平面波没什么可说的。如果你在时域求解Maxwell方程，一定需要光源这一项，这就是与频域方法不同的地方。
Q9：power monitor中的T和P各代表的含义是？T是光源的实部吗？A：T是用Transmission函数计算出来的透射率，现在放在监视器里直接计算了；不是光源的实部。光源的实部必须看Ex，Ey，Ez才有。P就是总功率密度，分量有Px，Py和Pz，颇印庭矢量。
Q10：FDTD Solutions关于并行计算的问题？
A：FDTD Solutions支持两类并行计算：分布式并行计算（distributed computing）和并发式并行计算（concurrent computing）：（1）Distributed Computing：适用于多核/多节点计算机.如果文件很小,可以只用单核/单节点,软件会自动提示.节点之间都是用高性能网络连接的.此时适用于一台物理的(即独立的)计算机；
（2）Concurrent Computing：当需要很多个类似的仿真计算时，可利用这种方式.此时各台计算机之间只需普通网络连接线即可。这时是多台分离式的计算机,每台仍然可以分布式并行计算；
（3）前者只需要一个Full License即可,后者每台计算机均需要一个Engine License.
Q11：为什么反射率有大于1的地方？
A：多数情况是没达到 auto shutoff min就停止运算，或者结构的谐振比较强，达到auto shutoff min后有些波长的谐振仍然持续。
解决办法：增加仿真时间 (FDTD/simulation times)，同时减小auto shutoff min (FDTD/advanced)或使用mesh将计算网格进一步细化Q12：一些金属粒子在入射光的激发下，发生表面等离激元谐振，想计算这种情况下的表面电荷分布，不知道FDTD Solution 如何计算A：可以计算表面电荷分布，参见
https://www.doczj.com/doc/209205156.html,/cn_fdtd/user_guide_current_density.html
Q13: 我计算了一个纳米粒子的吸收、消光和散射光谱，我按照例子做完得到的都是光谱图了，要怎么样才能把数据导出来呢？另外光场的分布图能否保存成更加清晰的格式呢？
A: 导出数据由几种方法:
(1)在分析窗口,作图后,下面有一个Export Data, 设置文件名后直接点”Export”就记录为TXT文件.
(2)用Script里面的Write语句:
https://www.doczj.com/doc/209205156.html,/en/fdtd/ref_scripts_write.html
以上两种方法导出的数据均可以直接阅读
(3)用Savedata 保存为Script可读的格式, 用Load data读取,记录时它同时把变量名也记下了,因此Load后, 变量名仍然可以使用.
https://www.doczj.com/doc/209205156.html,/en/fdtd/ref_scripts_savedata.html
(4)也可以将所有变量保存为Matlab直接可读的文件, 见
https://www.doczj.com/doc/209205156.html,/en/fdtd/ref_scripts_matlabsave.html
Q14：我们要计算的文件很多，而我们组现在只购买了一个license，所以不能同时计算，我们想晚上计算：一个计算结束之后，软件可以自动进行下一个计算。这样可以有效地利用软件和我们的时间，请问FDTD Solutions可以实现吗这样计算吗？若可以请问该如何设置？A：（1）你说的是排队计算的问题，FDTD Solutions完全可以做到；（2）具体设置如下：
将要计算的文件加到队列里，见
Addjob
https://www.doczj.com/doc/209205156.html,/en/fdtd/ref_scripts_addjob.html
runjobs;
https://www.doczj.com/doc/209205156.html,/en/fdtd/ref_scripts_runjobs.html
Q15:原本需要用GUI的操作能否都转换成脚本语言，这样我们操作的时候就不需要打开GUI，只在脚本语言里面做修改？假如我们的服务器上装有两个engine license，其中一个用户正在使用GUI和一个engine license运行程序，那么另外一个用户登录服务器能否通过脚本语言（代替GUI）使用另外一个engine license运行程序。
A：（1）engine license只能运行程序，不能做任何别的操作，例如编辑脚本语言；（2）第二种情况，其中一个用户正在使用GUI和一个engine license运行程序，另外一个用户登录服务器可以不需要GUI 来用engine license运行程序。Engine license的运行不需要GUI，有
特殊的命令，见
https://www.doczj.com/doc/209205156.html,/en/fdtd/user_guide_running_simulations.html （一般说明）
https://www.doczj.com/doc/209205156.html,/en/fdtd/user_guide_run_win_fdtd_command_li ne_single.html
（Windows）
以Full License为例，只要你们的个人计算机与工作站都是用局域网连着的，那么一个人在用GUI编辑/分析时，另外一个人可以用script 命令运行他的模拟，只是当正在编辑/分析的那位想运行时，系统会提醒他不能运行，License被占用；（3）只有我们的软件FDTD Solutions，GUI和Engine是分开的，两个人可以同时用，当然每个人都只能用一部分功能。
Q16：FDTD Solution这款软件的dipole source是脉冲光源，通过什么方法可以观察连续光源激发下介质内部的稳态光场分布呢？
A：有的软件是直接利用单色光的时域数据，这个需要较长时间的仿真，而且只能是一个单色光，没有利用时域算法的优点。而FDTD Solutions利用脉冲光源，频域CW稳态结果是利用（power、profile）监视器通过对时间信号去傅立叶变换精确得到的，因此是严格单色的，可参见：
https://www.doczj.com/doc/209205156.html,/en/fdtd/ref_fdtd_units_frequency_domain_nor malization.html
注意：为了获得正确的结果，我们需要在脉冲几乎全部离开仿真区域
后再结束。
Q17：FDTD Solutions计算区域一定是矩形吗？可以设置成圆形吗？A：由于FDTD是基于直角坐标系的，因此是矩形。不能是圆形，也没有必要。如果你需要柱坐标或球坐标下的结果，这都是可以的。
Q18：为了考察PML吸收层的吸收效果，我们模拟了一个三维空间上的偶极子点源的辐射场。FDTD计算区域为80×80×150um，四周为PML层，垂直反射系数为0%。点源添加在（20，20，-140）节点处。从计算结果中发现，计算区域中的场强分布是不对称的，请问缺省的PML层数如何设置？如何设置为半个波长厚度？
A：文件的一个主要问题是,光源没有在仿真区（讲座中我讲到了这点，仿真对象、光源、和监视器都必须位于仿真区域里）；计算是根据网格划分进行的.为了获得绝对的对称,你可以将光源和FDTD区域都设置为XYZ=0,同时也要注意监视器位于对称位置, 同时可以在FDTD/Advanced/中选取Force Symmetric x mesh (y,z) ，结果一定是对称的。
缺省的PML层数设置是自动的。你可以在FDTD/ Advanced那里看PML的最小最大层数。如果在Boundary那里看到PML的层数以达到最大值，增加最大层数。厚度也是自动计算的，不必设置。
Q19: simulation菜单中的mesh 选项如何应用，mesh选项中的dx dy dz 与空间步长有什么关系？
A: 因为FDTD Solutions使用自动优化的网格,对于有些比较薄的尺寸
小的器件,或者电磁场变化剧烈的地方,需要进一步细化，mesh就是用来细化计算网格用的.选项中的dx dy dz就是此区域的空间步长,它们是均匀的网格.
Q20: 如何设置计算区域的空间步长、时间步长？
A: FDTD Solutions是自动优化的非均匀网格, 因此只需要设置所需要的网格精度Mesh Accuracy (FDTD/Mesh Settings), 一般用缺省的设置2, 网格相当于最小波长的十分之一(最细的网格)或更高.
建议大家刚开始不要用高精度,等结果看起来还可以, 再用细网格作收敛试验, 因为无论如何离散的计算都是有误差的, 当用高精度得到一个比较一致的结果时, 说明仿真设置正确, 结果可靠.
注意, 因为不同材料内的最短波长不同, 因此网格粗的精度不一定低. 最低精度是细网格的地方, 假设是其材料内最短波长的十分之一, 其它地方的网格一定比其最短波长的十分之一还要小, 以保证最低精度波长的十分之一
Q21: 接受面特性选项intensity vs frequency/wavelength 获得的光强intensity是如何计算的？是计算的某一波长下该接受面上所有intensity的平均值吗？
A: 这个是不同波长下不同位置的光强, 不是任何意义上的平均.我们与其它软件的方法不同, FDTD Solutions的Frequency Domain监视器利用时域信号的傅立叶变换获得频域信息,因此你就知道Profile监视器得到的是含有空间坐标和波长的结果,还可以用Script获得电磁场
的不同分量的复数振幅.
Q22：为什么我做不出和文献完全一样的结果？
A：和文献结果比比较时，要注意检查：
§结构参数是否完全一致？Mesh Order 的设置是否正确表示实际结构？
§材料模型：是杜德模型、洛伦茨模型？还是测量数据，与文献中的数据是否完全一致？
§检查折射率/材料的拟合fitting是否正确？曲线是否光滑且没有人为的谐振峰
§偏振方向是否正确(TE/TM有两种定义)
§边界条件是否正确且与光源类型匹配？
§ Mesh Refinement 一般情使用缺省Conformal variant 0
§模拟时间是否足以使电磁场脉冲全部通过器件？
§检查所用网格精度或override能否分辨器件的细节
§检查结构是否有高级衍射? Transmission直接给出的是总透过率
一般模拟结果与文献结果大致类似，即表示基本设置几乎没有错误，但要得到完全一致的结果，做收敛性试验，参见：
https://www.doczj.com/doc/209205156.html,/en/fdtd/user_guide_testing_convergence.html
Q23：关于mesh的问题，附件grating1是让软件自动生成mesh，并且将精度调整为8级，可是看到软件生成的mesh还是很粗糙，不能体现模型细节，这是什么原因呢？
Ａ：可能是因为你有其它软件的使用经验，急于上手FDTD Solutions，因此可能没有时间浏览Reference guide，user guide这两个手册和入门教程。
因此这里花时间给你详细讲解一下：
软件自动生成的mesh是根据设定的网格精度画的，网格的尺寸是材料内最短波长的几分之一，例如精度2是十分之一，精度8是三十四分之一，它并不知道器件的最小结构尺寸。你的模型细节是0.09微米，是远远小于波长的，因此你需要添加mesh细化
Ｑ24：我手动划分mesh，强制将网格指定为10nm，但是此时网格和结构也有错位。水平方向的错位我通过调整FDTD区域的位置修正了，但是垂直方向的错位不能修正（垂直调整FDTD区域的位置移动不了网格）。
Ａ：要分辨细节，添加mesh是正确的选择。但是你现在选用了均匀网格，均匀网格的划分是从某个角落开始的，而且你设定的网格大小不一定正好均分post，当然它就不可能是对称的。如果你希望对称，你可以在FDTD／Advanced，选force symmetric x或者Y、Z，根据你的需要。
不过，看来你是需要在Z方向划分网格，但是Z方向不对称，因此不能用上面的方法。由于我们有Conformal技术：
https://www.doczj.com/doc/209205156.html,/solutions/innovation/fdtd_conformal_mesh_w hitepaper.html
没有必要一定要使结构与网格对齐，再者说，FDTD有E网格和H 网格，两者在XYZ方向都有半个网格的错位，你要与哪个网格对齐呢？
正确的做法是先用低精度，例如2，加上mesh来细分一些细节，这样内存需要很小，可以大大加快仿真速度，感觉基本可以后，再做收敛性试验.
Q25: 请问你们软件对电脑的硬件要求什么？我要做一个不对称180颗粒群落，计算机要求大概的一个内存或者硬盘要求是多少？给我个概念就行！
A：对电脑硬件的要求取决于要模拟的器件尺寸和所用波长的范围，器件尺寸相对于器件内最短波长的比例越大，对内存要求越高。你现在的研究课题是不对称180颗粒群落，几个月后可能就是其它的问题。我们一般无法给出具体指标，但有些建议，对硬盘，一般的配置即可，因为它并不参加运算，只是保存文件。
Q26：如何设置排队计算？也就是多个不同的文件，一个文件计算结束了之后，另一个文件会自动运行？
A：多个文件先后在计算机上运行设置的方法：
（1）首先将它们加到任务表中，例如：addjob("mySimulation.fsp"); Specify filename with full path.这是指该文件不在FDTD Solutions当前运行的文件夹中，指明路径即可
file="C:\working\mySimulation.fsp";
(2) addjob(file); 参见：
https://www.doczj.com/doc/209205156.html,/cn/fdtd/ref_scripts_addjob.html
有几个文件，就用几个Addjob；然后运行这个任务表这个例子是相关的文件，每个文件用数字区分，可以简洁地使用。
(3) runjobs;参见：
https://www.doczj.com/doc/209205156.html,/cn/fdtd/ref_scripts_runjobs.html
Q27: 我给材料库里加的数据，为什么过了几天再用所加的数据时，这些数据又没了？
Ａ：你加到材料库中的数据，仅是对那个文件而言，它没有永久地保存到FDTD软件里面。
如果你需要，一种方法是在原文件基础上（例如删除所有物件）设计，二是将原来新材料的形体拷贝到新的文件中，此时材料自动带过来。Q28: 对于大尺寸范围的模拟，我想去上海超级计算中心去运算，对方问我贵软件最多可用多少核？您有何建议？
Ａ：软件本身对核没有限制。但是中心可能是按核收费。具体用多少，没有严格规定，下限是每个核应该至少100M，上限以单个核的内存为佳（个人认为）。但是计算中心用的是Cluster，你最多可以用10个节点（因为Lumerical捐的是10个engine license）。每个节点的核数与计算机有关。
Q29：Frequency-domin field profile Frequency-domin field and power
具体区别在哪里？
A：两者基本一致，都是利用傅立叶变换将FDTD的时间信号转换为频域稳态CW结果的，也就是单色光的分布。
差别是：profile monitor的空间位置就是你原来设置的，没有任何变化，但是由于是网格化计算，场值需要插值计算，有一点误差；power monitor可将位置变化不超过半个网格，以减少插值带来的误差，保证能量守恒。因此，如果你求算某一个严格指定区域的场分布，用profile monitor，如果要计算透射率和功率，用power monitor。
Q30：FDTD solutions我们这边是在集群服务器的Cluster跑的，一般的单个仿真我们用如下脚本运行（），但是，现在我要进行optimization 的运行仿真，脚本应该如何更改，具体脚本应该如何写，能发个样本，并且解释一下吗？
A：一般optimization只能在GUI上设置。由于你们有5个正式的License，你可以设置Resources，将需要的节点名字或IP添加上，并指明每个节点所需要的Core/Process就可以了，优化会自动在多个节点同时计算。
当然要告知其他同学你正在用，否则其他人会发现计算太慢。https://www.doczj.com/doc/209205156.html,/en/fdtd/user_guide_run_resources.html
https://www.doczj.com/doc/209205156.html,/en/fdtd/solar_optimization.html
Q31: 探测器可以将电场磁场还有反射率都能探测到，但是想具体问一下这些量的关系，现在我可以推导出一些量的关系，比如
Re+i Im=abs exp(iΦ).
Re^2+Im^2=abs^2.
tanΦ=Im/Re.
(Exabs)^2+(Eyabs)^2=(E magnitude)^2.
但是找不到transmission和上面这些量的关系。你们这个transmission 是怎么推到出来的，和电场磁场有着什么样的关系。
A: 是颇印庭矢量积分的比值:即功率之比,在平面波的情况下,就是电场的强度之比(透射/反射的与入射的比)，具体可参考：
https://www.doczj.com/doc/209205156.html,/en/fdtd/ref_scripts_transmission.html
Q32: 我用FDTD Solution 计算一维介质光栅的在可见光波段的透过率（或者反射率），软件里可以设置不同的入射角度，我目前用的0度角，即垂直入射。现在有一个问题要请教您，我想计算并分析在可见光波段透过率随入射角连续变化（-30度~30度）的光谱曲线，角度变化间隔1度。不知道怎样设置？
A：我修改了你的文件，现在可以同时扫描入射角和波长（Sweep And Optimization）。
因为斜入射时必须使用Bloch边界，而Bloch边界时不同的波长入射角不同（数学要求），因此最好一次计算一个角度，一个波长。
目前是3*3=9个文件，如果波长选50个，角度选61个，那就是50*61=3050个计算！
另外为了加快速度，我用了精度2；将光源设置为单色
Q33：使用script命令得到的结果，怎么导出txt的文档数据格式？如
这个散射例子：
https://www.doczj.com/doc/209205156.html,/en/fdtd/sp_mie_scattering_2d.html?zoom_high lightsub=scattering中，得到的散射强度随角度变化的图，怎么导出txt 数据？
A：如果不是在Visualizer里面，需要用Script中的Write语句，具体请参考：https://www.doczj.com/doc/209205156.html,/cn_fdtd/ref_scripts_write.html
Q34：FDTD Solutions与matlab的图像交互问题？
A：（1）FDTD Solutions和matlab是相互兼容的；（2）但Matlab不能直接控制Lumericla软件,只能将Lumerical里面的数据送到Matlab 里面计算,或者从Matlab里面计算再提取出来. （3）一切对Lumerical 产品的交互必须用Script.
（4）一般来说, 要建立模型, 所用的Script可以参考Components里面的; 进行分析, 可参考Analysis分析组了的.
Q35：选择set frequency/wavelength这一项，设定好相关参数后点击set time domain进行相关设置，为什么此时set frequency/wavelength 中已经设置好的参数会发生改变？两者有什么关系, 两个选项都需要设置吗？
A：因为时间域和频率域是傅立叶变换关系，所以你只能按一个域来设置。
没有充分的理由，请使用缺省时间信号，这样可以大大加快模拟速度；同理，如果没有充分的理由必须使用单色光，请使用宽光谱，这样产
生很短的时间脉冲。
我们软件与其它软件不同的地方是：虽然FDTD是时间域算法，但是用傅立叶变化可以得到光谱内任何波长的CW结果！
Q36：为什么我设置wavelength span 为1nm, 而右图显示的波长宽度不是1nm？
A：因为在我们软件中，即使你设置为wavelength span 为0nm，光源的光谱也是宽光谱的，因为用的是时间脉冲光源。wavelength span 为0nm时（严格单色光），只是让监视器只记录这个波长的结果。这个也是与其它软件不同的。注意，严格单色光在时间上是无限的，而FDTD只能计算有限时间，理论上说，如果从时间域得到单色的结果，实际上是理论值与Sinc函数的卷积。
关于光源，请一定从其它软件的概念中转变过来。只要运行时满足条件，傅立叶变换就是准确的，也就是说，除非你的设计中用宽光谱时结果受其它波长的影响（如谐波的产生），否则应该使用宽光谱光源，而通过频域监视器记录指定的严格的单色光结果。