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Lumerical公司是一家致力于提供光电子设计软件解决方案的国际知名企业。
其旗下的FDTD解决方案是一款基于有限差分时域（FDTD）算法的光学结构仿真软件，被广泛应用于光学通信、光电子器件设计、纳米光学等领域。
在本文中，我们将重点介绍Lumerical的FDTD解决方案在光学结构仿真方面的特点和应用。
1. FDTD算法有限差分时域（FDTD）算法是一种数值求解Maxwell方程组的方法，可以用于模拟光学结构中的电磁波传输、吸收、散射等过程。
FDTD算法是一种非常灵活、高效的仿真方法，能够准确地模拟复杂的光学结构，包括光子晶体、光波导、光栅等。
相比于传统的有限元法（FEM）和有限差分法（FDFD），FDTD算法具有更好的模拟效果和更快的计算速度。
2. Lumerical的FDTD解决方案Lumerical公司推出的FDTD解决方案是基于FDTD算法的一款专业光学结构仿真软件。
该软件集成了强大的仿真引擎和直观的用户界面，可以帮助用户快速、准确地设计和优化光学器件。
与传统的FDTD软件相比，Lumerical的FDTD解决方案具有以下几个突出特点：（1）高性能计算引擎：Lumerical的FDTD解决方案采用了最新的并行计算技术，能够充分利用多处理器和多核心，实现快速、高效的仿真计算。
（2）丰富的模拟功能：该软件支持多种光学模式的仿真，包括线偏振光、圆偏振光、自由空间光波等。
用户可以根据需要进行灵活的设置和仿真，以获取更准确的仿真结果。
（3）直观的用户界面：Lumerical的FDTD解决方案具有简洁直观的用户界面，支持图形化编辑和仿真设置，使用户能够快速上手并进行高效的工作。
3. 应用案例Lumerical的FDTD解决方案在光学结构仿真方面具有广泛的应用，下面将介绍几个典型的应用案例：（1）光子晶体器件设计：光子晶体是一种具有周期性结构的光学材料，在光子学器件中有重要的应用。
利用Lumerical的FDTD解决方案，用户可以对光子晶体的光子带隙、光子波导等性质进行准确的仿真和优化，为器件设计和性能调控提供重要参考。
《基于二维能谷光子晶体的拓扑激光器设计与研究》篇一一、引言随着光子晶体技术的不断进步，拓扑光子学已成为光学领域的前沿研究课题。
拓扑激光器作为其重要应用之一，在光学信息处理、通信、传感器等领域具有广阔的应用前景。
本文将探讨基于二维能谷光子晶体的拓扑激光器设计与研究，旨在为相关领域的研究与应用提供理论支持。
二、二维能谷光子晶体概述二维能谷光子晶体是一种具有特殊能带结构的光子晶体，其能带中存在能谷态。
这种能谷态具有独特的物理性质，如光子局域化、慢光传播等，为设计新型光子器件提供了新的思路。
二维能谷光子晶体在光子集成、光子调控等方面具有潜在的应用价值。
三、拓扑激光器设计原理拓扑激光器利用拓扑光子学的原理，在光子晶体中构建特定的拓扑结构，以实现光场的调控和传播。
基于二维能谷光子晶体的拓扑激光器设计，需要综合考虑能谷态的特殊性质和拓扑结构的要求。
通过优化光子晶体的结构参数和材料性能，可以设计出具有特定功能的拓扑激光器。
四、拓扑激光器结构设计拓扑激光器的结构设计是设计的关键环节。
首先，根据应用需求确定激光器的性能指标，如阈值功率、输出功率等。
然后，通过优化光子晶体的几何结构、材料折射率等参数，构建出具有特定拓扑结构的激光器。
此外，还需要考虑激光器的制备工艺和成本等因素。
五、仿真分析与实验验证通过仿真分析，可以研究拓扑激光器的光学性能和传播特性。
利用时域有限差分法、平面波展开法等数值方法，对激光器的传播模式、输出功率等关键指标进行模拟分析。
同时，结合实验验证，对比仿真结果与实际性能的差异，为进一步优化设计提供依据。
六、性能优化与提升针对拓扑激光器的性能优化与提升，可以从以下几个方面进行：1. 优化光子晶体的结构参数和材料性能，提高激光器的阈值功率和输出功率；2. 引入新型的拓扑结构，如利用高阶能谷态或引入缺陷态等，实现更复杂的光场调控；3. 探索新型的制备工艺和材料体系，降低激光器的制备成本和提高稳定性；4. 结合其他光学元件和器件，实现激光器的集成化和模块化。
0引言1987年，美国的E.Yablonovitch [1]和S.John [2]各自独立地提出了“光子晶体”（photonics crystal ）的概念，即如果将折射系数不同的介质在空间按一定的周期排列，当周期参数与光波长同一数量级时，由于周期结构带来的布拉格散射，那么该晶体能够在一定的频率范围内产生“光子带隙”（photonic band gap ，PBG ），也称“光子禁带”。
光子晶体的能带结构特性决定了其不同于其他介电材料的特性。
光子晶体[3，4]是一种具有周期结构的人造材料，因为其应用范围广泛，一经问世就引起了学术界高度关注。
随着对光子晶体的深入研究，科学家们相信对光子晶体的研究和应用将会极大地推动光子学和光子产业的发展。
目前，在理论上，科学家们提出了多种模拟计算光子晶体的理论方法。
具有固定结构和参数的光子晶体，借助计算机，人们可以很容易计算出其能带结构、反射和透射等物理性质。
在二维光子晶体方面，分析研究不同介质常数形成的不同周期结构的光子晶体的能带结构和分析由线缺陷构成的光波导的特性仍是人们的研究课题之一。
本论文将采用时域有限差分法研究无限长Al 2O 3介质棒在空气中排列形成的二维光子晶体，通过分析反射和透射等特性，算出该完整周期结构光子晶体的带隙。
接着设计一种线缺陷，形成波导结构，进而计算和验证缺陷态的存在。
1计算方法时域有限差分法（FDTD ）是电磁场数值计算的经典方法之一，其被应用于光子晶体的理论研究[5]始于上世纪90年代。
在三维直角坐标系中，时域有限差分（FDTD ）中离散的电场和磁场的空间分布如图1所示，每一个磁场分量周围有四个电场分量；每一个电场分量周围有由四个磁场分量。
电磁场分量的这种空间取样方式既符合符合法拉第电磁感应定律和安培环路定律，又适合Maxwell 方程的差分计算，可以完整地描述电磁场随着实践在空间的的传播。
根据时域有限差分（FDTD）理论，Maxwell差分方程可以写为：同理可以写出H y 、H z 、E y 、E z 的Maxwell 差分方程。
光子晶体能带fdtd
时域有限差分法（Finite-Difference Time-Domain，FDTD）是一种用于求解电磁场问题的数值方法。
它在光子晶体能带计算中具有重要的应用。
光子晶体是一种周期性结构，其周期性排列的介电常数可以对光的传播产生调控作用。
通过改变光子晶体的结构参数，可以实现对光的频率和传播方向的控制，从而产生光子能带结构。
在使用 FDTD 方法计算光子晶体能带时，我们将光子晶体的结构在空间和时间上进行离散化，将电磁场表示为离散的场分量。
通过迭代求解麦克斯韦方程组，我们可以获得电磁场在空间和时间上的演化。
FDTD 方法的优点包括计算效率高、易于实现、适用于复杂结构等。
它可以有效地处理光子晶体中的周期性结构和边界条件，并且可以提供关于能带结构、能带隙、传输特性等重要信息。
然而，FDTD 方法也存在一些局限性，例如在处理高折射率对比度和长波长情况时可能会遇到数值不稳定和精度问题。
此外，FDTD 方法对于大型光子晶体结构的计算可能会消耗大量的计算资源。
总的来说，FDTD 方法是一种常用的数值技术，用于研究光子晶体的能带结构和光学特性。
它在光子晶体设计、光电子器件模拟和光学波导等领域具有广泛的应用。
随着计算技术的不断发展，FDTD 方法也在不断改进和优化，以满足更复杂的光子晶体研究需求。
lumerical solutions 案例Lumerical Solutions案例：光子晶体纳米激光器设计和优化概述：本案例使用Lumerical Solutions软件进行光子晶体纳米激光器的设计和优化。
光子晶体纳米激光器是一种基于周期性介质的纳米结构，能够在纳米尺度上实现高效的光子与模式的耦合。
通过模拟和优化，可以提高光子晶体纳米激光器的性能和效率。
步骤：1. 设计光子晶体结构：使用Lumerical Solutions的FDTD Solver模块，设计光子晶体的结构。
通过调节周期性介质中的折射率、周期和晶格常数等参数，实现所需的光子晶体结构。
同时，根据需要选择包括光子晶体缺陷模式、光波导等功能组件。
2. 模拟模式耦合：使用Mode Solutions模块，可以模拟并优化光子晶体纳米激光器的模式耦合效果。
通过计算模式的耦合效率和传输损耗等指标，可以确定光子晶体纳米激光器的性能。
3. 优化光子晶体结构：基于模式耦合的模拟结果，调整光子晶体的结构参数，以优化光子晶体纳米激光器的性能。
可以使用优化设计工具，自动调整折射率分布、结构尺寸和晶格常数等参数，快速找到最佳的结构。
4. 渐进扫描优化：对于复杂的光子晶体结构，可以使用Lumerical Solutions的DFB Laser Designer模块进行渐进扫描优化。
该模块使用有限元方法来计算模式的增益和自发辐射衰减等参数，并自动调整结构以提高激光器的性能。
5. 分析光子晶体激光器特性：利用FDTD Solver进行时间域或频域的电磁模拟，分析光子晶体纳米激光器的激发和发射特性。
可以模拟激光的输出功率、谐振模式的品质因子和互作用强度等重要指标。
6. 结果分析和优化：根据模拟结果，分析和优化光子晶体纳米激光器的设计。
可以通过改变材料参数、结构尺寸和器件布局等方式，优化激光器的性能。
最终，根据模拟结果的预测和实际实验的反馈，进一步改进和优化光子晶体纳米激光器的设计方案。
用FDTD法计算光子晶体探析巩庆志;蔡祥宝【摘要】基于电磁场时域有限差分法(FDTD)来计算光子晶体(PC)的方法,较为详细的分析了在运用FDTD方法时,需要注意的一些问题,尤其是关于其晶格位置以及晶格上各个电磁场分量的分布和完全匹配层(PML)中在边界处其电磁场的处理;以此为理论依据分析了PC在作为光波导时其电磁场的变化.在入射光的波长、晶格常数、元胞半径不同时对传播损耗的影响,在波长一定时,晶格常数过大或过小都会导致光在光子晶体中的损耗过大,为光子晶体作为光滤波器或其他器件的设计提供了参考和理论计算的方法.【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2007(030)018【总页数】3页(P171-173)【关键词】时域有限查分法;光子晶体;完美匹配层;晶格常数【作者】巩庆志;蔡祥宝【作者单位】南京邮电大学,光电学院,江苏,南京,210003;南京邮电大学,光电学院,江苏,南京,210003【正文语种】中文【中图分类】TN36自从1987年Yablonovich提出光子晶体PC(Photonic Crystal)的概念以来，由于他具有周期性的折射率变化而产生光子带隙结构，从而获得了广泛的关注。
半导体中研究对象是费米子——电子，电子能带理论时标量波满足的哈密顿方程；光子晶体中研究的对象是玻色子——光子，光子能带理论是波矢量满足的Maxwell′s方程，而对光子晶体的研究主要是研究布里渊区其能带关系——即光子的频率和波氏量的关系。
也就是求解Maxwell′s方程的特征方程。
如何求解Maxwell′s方程，至今已经发展了很多的方法如：平面波法、传输矩阵法、时域有限差分法FDTD[1]等，其中以FDTD方法的使用最为普遍。
本文就是以此法为依据来展开讨论。
1 FDTD算法简介1.1 差分方程的建立[2]1966年Yee K S创立了计算电磁场的时域有限差分法(FDTD),在计算电磁场的各个领域得到了广泛应用。
第一部分简介本入门指南对FDTD Solutions进行初步介绍，并演示如何模拟一些简单的体系。
在涉及电磁辐射在复杂媒介中转播方面的许多应用过程的设计和分析方面，FDTD算法非常有用。
特别适用于描述光线在具有较强散射和衍射特性的物体的入射以及传播。
而其它一些可选择的采用近似模型的计算方法，通常给出的结果不太精确。
FDTD Solutions可用来解决工程方面的许多实际问题，包括：●集成光学器件●显示技术●光学存储设备●OLED 设计●生物光子传感器●等离子体极化声子共振设备●光波导器件●光子晶体的设备●LCD设备FDTD Solutions是一种可处理这方面许多实际问题的可靠、易用、通用的开发工具。
简介部分对FDTD方法进行大概说明，并初步介绍使用方法。
随后是一些范例，并给出建模的每个步骤，这样你就可以建模并进行模拟计算。
1.1 什么是FDTD?时域有限差分（Finite Difference Time Domain：FDTD）法已经成为求解复杂几何体麦克斯韦方程的比较先进的方法。
并且完全以矢量法给出时域和频域方面的信息，有助于对电磁学以及光子学的各种类型的问题以及FDTD的应用有更深入的了解。
该技术在空间和时间上采用离散方式。
电磁场以及结构材料独立的的Yee元胞网格所描述，在时间上采用离散方式解麦克斯韦方程，所选用的时间步长在整个光速范围同元胞大小相关，当元胞大小趋于零时，可得到麦克斯韦方程的严格解。
模拟结构单元材料的电磁特性可以在很大范围变化。
可以将光源加入到模拟中，采用FDTD方法可以计算电磁场是如何从光源通过结构单元的。
在电磁波传播期间采用连续迭代方法进行计算。
通常情况下直到模拟区间没有电磁场存在时，模拟计算过程才停止。
在任何空间点（或点群）均可以记录时域信息。
这类数据既可以在模拟过程记录下来，也可以在用户规定的时间以一系列“快照”的方式记录下来。
同样也可能得到任何空间点（或点群）的频域信息，即通过对该点的时域信息进行傅里叶变换而得到。
FDTD程序编写参考指南⼀、引⾔FDTD，全称时域有限差分法（Finite Difference Time Domain），是⼀种在电磁波传播、散射和辐射等领域⼴泛应⽤的数值分析⽅法。
通过FDTD⽅法，我们可以模拟电磁波在各种不同介质中的传播⾏为，从⽽深⼊理解电磁波与物质相互作⽤的基本规律。
⼆、FDTD基本原理FDTD⽅法基于⻨克斯⻙⽅程组，将空间和时间变量分离，以差分形式逼近微分形式。
这样可以将复杂的微分⽅程组转化为差分⽅程组，进⽽通过编程求解。
FDTD⽅法的优点在于其完全的时域特性，可以直观地观察电磁波的传播过程，并且易于编程实现。
三、FDTD编程步骤1.确定边界条件和初始条件：根据问题需求，选择合适的边界条件（如完美匹配层、周期性边界等）和初始条件。
2.划分⽹格：将空间划分为⼀系列⼩的单元格（或称为“⽹格”），每个单元格代表⼀个离散的电磁场分量。
3.初始化场量：根据初始条件，为每个场量设置初始值。
4.迭代更新场量：按照⼀定的时间步⻓，逐个更新每个单元格的场量。
在每个时间步⻓内，根据⻨克斯⻙⽅程和差分公式，计算新的场量值。
5.判断收敛：检查新旧场量之间的差异，如果差异⼩于预设的收敛阈值，则认为解已收敛，停⽌迭代；否则回到第4步继续迭代。
6.结果后处理：将结果可视化，或进⾏进⼀步的数据处理和分析。
四、编程注意事项1.差分精度：为了获得准确的模拟结果，需要选择合适的差分公式和时间步⻓。
差分公式的选择会影响数值稳定性和精度，⽽时间步⻓的选择会影响计算效率和精度。
2.边界条件处理：边界条件的处理对模拟结果的准确性⾄关重要。
应选择合适的边界条件以减少数值⾊散误差和反射。
3.初始条件的设置：初始条件的设置会影响模拟的初态和动态⾏为。
应确保初始条件的设置合理且符合问题需求。
4.并⾏计算：为了加速计算，可以考虑使⽤并⾏计算技术。
这可以通过将空间⽹格划分为多个部分，并由多个处理器核⼼同时处理来实现。
5.数据可视化：为了更好地理解模拟结果，应将结果可视化。
《基于二维能谷光子晶体的拓扑激光器设计与研究》篇一一、引言随着科技的发展，光子晶体在光电子学和光子学领域的应用越来越广泛。
其中，二维能谷光子晶体因其独特的物理特性和潜在的应用前景，成为了研究的热点。
拓扑激光器作为光子晶体的一种重要应用，具有低阈值、高效率、高稳定性等优点。
因此，基于二维能谷光子晶体的拓扑激光器设计与研究具有重要的理论意义和实际应用价值。
二、二维能谷光子晶体的基本原理与特性二维能谷光子晶体是一种具有周期性介质结构的光子晶体，其能带结构中存在能谷。
能谷的存在使得光子在晶体中的传播受到限制，从而形成光子的“带隙”。
这种特殊的带隙结构使得二维能谷光子晶体在光子集成、光子传输、光子调控等方面具有独特优势。
三、拓扑激光器的基本原理与优势拓扑激光器是一种利用拓扑结构实现光场局域化和增益的新型激光器。
相比传统激光器，拓扑激光器具有更低的阈值、更高的效率、更好的稳定性以及更小的体积等优势。
其基本原理是利用拓扑结构中的能带反转和能谷跃迁，实现光场的局域化和增益。
四、基于二维能谷光子晶体的拓扑激光器设计基于二维能谷光子晶体的拓扑激光器设计，主要涉及以下几个方面：1. 结构设计：根据能谷光子晶体的特性，设计合适的晶体结构，包括晶格常数、介质折射率等参数。
同时，结合拓扑结构的特点，设计出具有良好局域化特性的激光器结构。
2. 材料选择：选择合适的材料制备二维能谷光子晶体。
考虑到材料的折射率、光学性能、稳定性等因素，选择合适的材料对于实现高效的拓扑激光器至关重要。
3. 增益介质：在晶体中引入增益介质，以实现光场的放大和激光的产生。
增益介质的选择应根据其光谱特性、增益系数等参数进行优化。
4. 拓扑结构优化：通过对拓扑结构的优化，进一步提高激光器的性能，如降低阈值、提高输出功率等。
五、实验研究与结果分析我们通过制备不同结构的二维能谷光子晶体，研究了其在拓扑激光器中的应用。
实验结果表明，基于二维能谷光子晶体的拓扑激光器具有较低的阈值、较高的输出功率和良好的稳定性。
第 23卷第 6期计算机应用与软件Vo l 23, No . 62006年 6月 Co m puter Applicati o ns and Soft w are Jun . 2006基于 FDTD 二维光子晶体器件设计软件的开发彭小舟张冶金杨四刚陆洋陈向飞谢世钟(清华大学电子工程系北京 100084收稿日期 :2004-08-31。
基金项目 :国家重点基础研究规划 973项目(2003CB314907 。
彭小舟 , 硕士生 , 主研领域 :光子晶体平板类与光纤类器件的研究。
摘要介绍了一个基于时域有限差分法 (FDTD 的二维光子晶体器件设计软件PCCAD, 所用的核心算法是时域有限差分法。
与同类 FDTD 商业软件相比 , 特点在于其具有多种光子晶体结构编辑模板 , 多种点源、线源 , 先进的边界吸收技术及多种参数优化扫描等功能。
快速傅里叶变换及 P ade 算法在软件设计中的应用使模拟更加精确、快速。
软件适用于各种平面光子晶体的仿真设计 , 探索新的器件结构。
最后 , 利用此软件设计了直波导、 T 型波导等二维平面光子晶体器件。
关键词时域有限差分法 (FDTD 光子晶体设计软件THE DEVELOP M ENT OF 2D PHOTON I C CRYS TALS DEVI CEDESI GN S OFT WARE BAS ED ON FDTDPeng X iaozhou Zhang Y ejin Y ang S i g ang Lu Y ang Chen X iangfe i X ie Sh izhong(TheE lectron ics E ng i n ee ring D e part m ent , T sing hua Un i v e rsit y, B eijing 100084, Ch i naAbstrac t A 2D pho ton ic crysta l s dev ice desi gn so ft ware PCCAD, which is based on fi n ite d iffe rence ti m e do m a i n m ethod (FDTD , i s i n troduced i n this paper . T he key a l go rith m used i n t h i s so ft wa re is FDTD. Compared w i th t he ex isting comm erc i a l FDTD appli cations , PCCADhas t he fo llo w i ng advantage :p lenty of photonic crysta l s desi gn te m plates , po int and li ne i ncidentw ave sou rce , advanced abso rb bound conditi on and the facti on o f para m ete r opti m ize scann i ng . T he applica ti on o f FFT and P ade a l gor it hm bring m ore prec i s i on and save much ti m e from s i m u l ating . Th is so ft w are is s u itable for 2D photonic crystals dev ice design or l ook i ng f o r new structure . A t the l ast of this paper , so m e types o f pho t on i c c rystals w avegu i de i s designed usi ng t h is so ft w are . K eywords FDTD Pho ton ic crysta l Des i gn soft w are0 引言二维平板光子晶体是目前光子晶体研究中的一个重要分支 , 目前 , 有关二维平板光子晶体的理论已经基本成熟 [1~4], 但是设计和工艺还处在起步阶段 , 相关的设计软件还很不成熟。
二维平板光子晶体结构复杂 , 实验制作难度大费用高 , 先期的理论设计是必须的 , 一个好的设计软件显得尤为重要。
光子晶体的理论分析方法主要有平面波展开法 [1], 时域有限差分法 FDTD (F i n ite D ifference T i m e Dom ain [5, 6], 多极化方法 [7]等。
目前 , FDTD 是用来模拟电磁波在光波导中传播的数值算法中应用最为广泛的一种 , FDTD 由于具有适合于各种波导结构瞬态分析且结果精确而被广泛地应用。
代表性的软件有美国的 R soft , 澳大利亚 VP I 的 Apo llo , 美国的 O pti w ave 。
这些软件虽然功能强大 , 但是在结构编辑上有些不方便之处 , 优化扫描功能也欠缺。
本工作开发的 PCCAD 二维光子晶体器件设计开发系统由两个相互独立的模块组成 , 采用可视化的结构描述及多线程程序实现技术 , 在其关键算法FDTD 中采用了目前吸收性能最好的边界条件单轴完美匹配层 (UPM L , 输入源的引入采用改进的总场反射场连接边界。
在模拟时能实时的对当前电磁场的分布进行显示 , 并且设置了功能强大的参数优化扫描功能 , 能 , 进行扫描 , 得到损耗曲线 , 以进行优化设计。
另外 , 可以在计算区域内的任意位置设置观察点 , 对观察点采集的电磁场数值的处理引入了快速傅立叶变换 (FFT 以及 P ade 算法 , 能够快速精确地分析器件的频率响应特性 , 得到响应峰值及品质因子 (Q值。
1 PCCAD 系统的结构与设计图 1为 PCCAD 的总体结构图 , 软件由编辑和仿真分析两个部分组成。
编辑部分用来编辑一个二维平板光子晶体结构 ; 模拟部分用来对光 (电磁波在光子晶体里的传播情况进行 FDTD图 1 PCCAD 的总体结构2计算机应用与软件 2006年模拟 , 并以动画的形式将当前电磁波的某个分量在光子晶体中分布的情况显示出来 , 模拟结束后 , 系统将用采集的数据对光子晶体的特性进行分析。
PCCAD 的两大部分是相对独立的 , 编辑部分提供了强大的二维平板光子晶体的编辑功能 , 目前 PCCAD 的计算仅限于二维 , 也就是在 Z 方向上所有的参数都是均匀的 , 编辑部分可以非常方便地加入各种形状的光波导结构或者光子晶体阵列结构 , 编辑完成后 , 通过文件的形式将结构与仿真参数传递给第二大部分仿真与优化扫描部分。
第二部分对传递过来的文件进行分析 , 获取一个折射率的分布。
因为 FDTD 算法只跟折射率的分布相关。
这样分成两部分的设计给以后程序的扩展带来了很多方便。
程序的主要部分 FDTD 算法集成在第二部分中 , FDTD 算法采用了具有良好的吸收效果的边界 UPM L 边界以及总场反射场输入光源的设置。
在仿真过程中 , 软件可以将某几点的电磁场随时间变化的值采集下来 , 可以绘制观察点电磁场大小随时间变化的情况 , 还可以将采集的数据进行快速傅立叶变换 , 以得到观察点的频谱图。
2 PCCAD 功能概述PCCAD 采用 VC 编程 , 40000行源代码。
运行环境要求 P I II600以上 PC 机 , VGA 显示器 , W i ndo w s 环境 , 256M 内存 , 1G 以上空闲硬盘存放软件和仿真数据。
主界面如图 2所示。
图 2 PCCAD 主界面2. 1 波导编辑工具一个方便精确的编辑工具对于一个设计软件来说是至关重要的 , 二维平板光子晶体器件设计软件也不例外。
PCEd it 可以方便地设置背景晶体的长宽 , 实部与虚部的折射率。
PCEdit 可以用鼠标拖曳完成各种光波导与光子晶体结构的初步绘制 , 可以右键弹出对话框对每个光波导的属性进行更改 , 在绘制完成后 , 还可以对波导的边界关键点进行拖动改变大小和形状。
因为此编辑工具主要是用来设计一个二维的平板光子晶体 , 最重要的功能是可以很方便地编辑一个二维的光波导阵列。
可以任意的更改一个阵列的行数 , 列数 , 阵列网格的夹角 , 倾斜角。
2. 2 仿真电磁场在光波导或者光子晶体阵列里的传播FDTD 法是一种时域方法 , 该方法直接把含有时间变量的 M axw ell 方程在 Y ee 网格空间转换为差分方程。
利用 FDTD 方法 , 对二维平板光子晶体设计的过程是首先给定一个具体的平板光子晶体结构 , 设定所需的输入源 , 然后进行 FDTD 逐点计算, ( 场随时间的分布对于二维平板光子晶体的设计是相当关键的 , 也是进行一系列分析与优化扫描的基础。
FDTD 算法对具体结构的无关性使得在仿真部分只要获得从编辑部分传过来的的折射率分布及一些具体的 FDTD 参数 , 如剖分网格数 , 离散时间步长等就能实现电磁场的模拟传播。
对于 FDTD 算法 , 最关键的两个因素是吸收边界条件与输入光源。
本软件采用的指数形式差分的 U P M L 吸收层 , 可以实现 <0. 001%的反射率。
对于输入光源部分 , 考虑到设计的需要 , 光源可以定义上下左右四个传播方向 , 能够实现连续激励 , 高斯脉冲激励 , 升余弦调制激励三种形式 , 在下面可以看出 , 高斯脉冲激励在进行光谱扫描时是相当关键的。
本软件采用改进的总场反射场连接边界引入输入源 , 可以实现总场反射场的完全分开。
在仿真电磁场传播的过程中 , 能够实时的直观的显示当前电磁场的数值 , 更容易使人了解一个结构的电磁波传输情况与图 3 电磁场在二维平板光子晶体直波导中传播的示意图性能优劣。
本软件对电磁场显示图案的渲染采用的是目前在各类 3D 游戏中广泛采用的图形接口 O penGL, Open GL 可以充分利用显卡的运算能力进行电磁场图形的绘制 , 大大减轻 CPU 的负担 , 从而能实现更加快速的仿真 , 图 3所示为正在进行仿真的某一时刻在二维平板光子晶体直波导中电磁场传播的示意图。
2. 3 参数的优化扫描二维平板光子晶体的结构参数的确定往往是通过带隙计算后初步设计的 , 最初结构还不能完全满足损耗等方面的要求 , 因此还要进行参数优化 , 这是设计的难点所在。
因为优化的规律很难寻找 , 需要大量的计算。
本软件可以对背景折射率 , 晶格纵向横向周期 , 介质折射率等多种结构和材料参数进行扫描 , 能设置 6种类型的观察点对电磁场在指定的步数内进行积分以获得损耗曲线。
