基于FDTD二维光子晶体器件设计软件的开发-图文(精)

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lumeical的fdtd的structures

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》范文

《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。

基于FDTD二维光子晶体器件设计软件的开发

ｔｄｃｄｉｈｓｐｐｒＴｅｋｙａｇｒｈｕｅｎｔｉｓｆｒｓＦＴＤ．ｍｐｒｄｗｉｈｘｓｉｇｃｍｍｅｃａＴｐｌａｉｎ，ＣＣｒｕｅｎｔｉａｅ．ｈｅｌｏｉｍｓｄｉｈｓｏｔｅｉＤｏｔｗａＣｏａｅｔｔｅｅｉｔｏｈｎｒｉｌＦＤＤａｐｉｔｓＰＡＤｃｏｈｓｔｅｆｌｗｉｇａｖｎａｅｐｅｔｆｐｏｏｉｃｙｔｌｄｓｇｅｌｔｓｐｉｔｎｉｅｉｃｄｎｖｏｒｅａｖｎｅｂｏｂｂｕｄｃｎｉｏａｈｌｎｄａｔｇ：ｌｎｙｏｈｔｎｃｒｓａｓｅｉｎｔｍｐａｅ，ｏｎｄｌｎｉｅｔｏｏａｎｗａｅｓｕｃ，ｄａｃｄａｓｒｏｎｏｄｔｎｉａｄｔｅｆｃｉｎｏａａｔｒｏｔｚｃｎｉｇＴｅａｐｉａｉｎｏＦｎａｅａｇｒｔｍｂｉｇｍｏｅｐｅｉｉｎａｄｓｖｃｉｏｓｍ— ｎｈａｔｆｒｍｅｅｐｉｅｓａｎｎ．ｈｐｌｔｆＦＴａｄＰｄｌｏｉｒｎｒｒｃｓｎａｅｍｕｈｔｏｐｍｉｃｏｈｏｍｅｆｍｉｒｕａｉｇＴｉｓｆａｅｉｓｉｂｅｆｒ２ｈｔｎｃｃｓａｓｄｖｃｅｉｎｏｏｋｎｒｎｗｔｃｕｅＡｈａｔｏｈｓｐｐｒｓｍｅｔｐｏｏｉｒｔｌｅｉｅｄｓｒｌｏｉｇｆｅｓｕｔｒ．ｔｔｅｌｓｆｔｉａｅ，ｏｙｅｆｎｔａｙｇｏｒ
维普资讯
第２卷第６３期
２００６年６月
计算机应用与软件
ＣｍｐｔｒＡｐｉａｉｎｎｏｔａｅｏｕｅｐｌｔｓａｄＳｆｒｃｏｗ

二维光子晶体波导传输特性的FDTD分析

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。

FDTD软件介绍及案例分析一

该软件用于下一代光子学产品的精确多功能高性能仿真设计精确严格求解3维矢量麦克斯韦方程是学术界尖端研究和工业界产品开发易学易用的设计工具及时地充分利用高性能计算技术该软件可解决具有挑战性关键设计的技术能高效准确地模拟色散材料的难题独有的多系数材料模型为准确描述色散材料的性质提供了理想的工具wwwhikeysheenraycomfdtdsolutions软件介绍特点获得纳米器件设计精确结果需要长时间的难题及时地充分利用现代计算技术的硬件提供需要最少代价的最新网格化技术可解决具有挑战性关键设计的技术多系数材料模型极大地提高了计算结果的精度lumerical公司独用的技术多系数材料模型mcms提供比前述罗伦次杜德模型超好的拟合软件给出拟合曲线和拟合误差自动拟合材料色散数据用户可以设定系数个数拟合允差和波长范围用户可自行导入自己的材料或选择内置材料库中的材料wwwhikeysheenraycomfdtdsolutions软件介绍特点高性能计算技术高速计算引擎优化的源代码并行计算充分利用多核计算机系统的高性能cpu使用的最大化支持常用的各种操作系统软件授权许可证与硬件操作系统无关
比较模拟性能的理想化设备相对的装置,就能制造的——在这儿,把表面粗糙度测量通过原子力显微镜的测量——可以帮助找出在设计和生产过程的设备性能改善的好处。
11

CMOS图像传感器像素设计
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CMOS图像传感器像素设计
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CMOS图像传感器像素设计
• 第三步:优化角度回应的CMOS图像传感器和测量主要射线角度:增加光学效率、降低光谱光相声
测量光谱光相声,向下的功率流在邻近的sub-pixels可以计算,结合矢量。光谱光相声一般产生最小光学效率最大化, 但在陡峭的角度入射高浓度的相声观察到,在某种程度上,不可避免的。更复杂的装置设计,由其他的像素元素(如互连) 也改变时,可以提供一种方法,可以减少整体相声水平。

二维光子晶体线缺陷特性的FDTD分析

光子晶体是Ｙｂｏｏｉｈ和Ｊｈ别在讨论周ａｌｖｃｎｔｏｎ分期性电介质结构对材料中光传播行为的影响各自独立提出来的ＬＪ因其具有控制光子的流动能力而１，备受关注Ｌ．子晶体的结构可理解为折射率周３光Ｊ期性排布的一种材料，这种折射率呈周期性排布在的电介材料中，些波段的电磁波因周期性结构的某强散射效应（ｔｎａｅｉｇｆｃ）无法在电介材ｓｏｇｓｔｒｅｔ将ｒｃｔｎｅ料中传播，而形成光子带隙结构－］ｐｏｏｉ因２（ｈｔｃｎｂｄｇｐｓｓｍ，称ＰＧ结构）光子晶体的非凡ｎａ．ａｙｔ简ｅＢ．本领正是由于这个带隙结构的存在．在二维的完整光子晶体中引入缺陷后，子晶光
结果表明，于禁带内的电磁波能在线缺陷内传播，处且在拐角处能耗较小．计算了处于带隙内的单频时谐波在几种线缺陷结构内的传播行为及电场分布，电场值分布仍可得到单频时谐波在拐角处能耗小的结论．从
关键词：子晶体时域有限差分方法光子晶体波导光
ｍｉｍｔｏＦＴ．ＴｅＴａｅｏｈｔｎｃｃｓｌｓｈｓａｃｂｅｔｈａｓｓｉｏｆｃｎｅｓｓａｅｄ（ＤＤ）ｈＥｗｖｆｏｉｒｔｅｒｅｒｏｊｃ．Ｔｅｔｎｍｉｏｃｅｉｔｒｕｎｈｐｏｙａｉｔｅｈｒｓｎｉｆｅｖ
ＷＡＮＧｈｎｙｎＬＵｈｏｂｎＳｅ — ｕ．ＩＳａ — ｉ

二维金属方柱散射的 FDTD 仿真

1
2.1.1 2.1.2 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4
简单形体的散射特性.................................................................................... 22
电磁场与数值方法
2.2.5
仿真结果以及结果验证 ...................................................................................... 33 4.1 4.2 EZ 幅值图 ...................................................................................................... 33 RCS ................................................................................................................ 35
雷达截面基础 ...................................................................................................... 15 2.1 雷达截面的概念............................................................................................ 15 雷达截面的定义..................................................................................... 15 雷达截面的频率特性............................................................................. 17 球............................................................................................................. 22 扁椭球体................................................................................................. 25 细导线..................................................................................................... 26 圆锥......................................................................................................... 27

FDTD案例分析续篇

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纳米粒子散射
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实例二：纳米线栅偏振器
1、纳米线网格偏振镜紧凑光子偏振控制元素——与解决方案设计和优化FDTD • 高对比度极化控制装置的组成sub-wavelength金属光栅纳米线偏振器件——正在取代网格批量光学元素。纳米线网格偏振器件提供改进消光比对比,最小的吸收来解决高亮度照明,紧凑的形式因素促进大规模生产和集成在小型光学组件。然而,纳米线偏振器件是富有挑战性的网格组件来设计,特别是如果制造缺陷都考虑进去。在这个应用程序中,我们将展示FDTD解决方案可以用来最大化对比度的纳米线偏振镜网格任意角度,同时保持高传播。
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SPR纳米光刻
• 第三步：分析了表面等离子体共振光刻近场数据详细的研究结果和数值的解决方案,所有复杂的光学波的交互的接口的许多材料,包括硅基片上的反射,准确地对待。一个阴谋的近场强度在截面通过银丝面膜层(y=0到60海里) 和光刻胶层(y = -50到0 nm)显示在对数。表面等离子体模式是清楚地看到在银胶面罩/接口。周期性结构允许入射光束夫妇counter-propagating表面等离子体波,这引起了亚波长的变化在光阻层强度的设计思想。
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纳米线栅偏振器
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纳米线栅偏振器
• 第四步：模拟得到的响应非正态纳米线网格发病率照明。铝光栅wiregrid偏振镜有TE传播的大约85%的normallyincident平面波。现在,与一个源呈四十五度角,传播下降到大约83%。这些结果生成模拟一个时期的wiregrid偏振镜,然后使用复杂的脚本的环境,在解决方案将FDTD响应从单个光栅牙的反应,multi-tooth组成部的铝光栅。
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FDTD Solutions资料集锦专题资料(一)

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谐振腔相关算例：
FDTD案例-谐振腔-光学晶子.rar
FDTD案例-谐振腔-quality_factor.rar
FDTD案例-谐振腔-低质因子.rar
FDTD案例-谐振腔-型腔回音壁.rar
FDTD案例-谐振腔-PC_3D.rar
FDTD案例-谐振腔-型腔模振幅.rar
克斯普朗克研究院、麻省理工学院、美国国家标准与技术研究院、东京大学
、清华大学、北京大学和中国科学院多个研究所等，都在使用Lumerical的设计软件软件。
FDTD参考手册
Lumerical 2014a安装手册.pdf
Lumerical Flexnet code license安装步骤（最新）.pdf
FDTD Solutions资料集锦专题（一）
更新时间：2015-2-4
以下是小编整理的一些FDTD Solutions资料集锦,其中包括了有关FDTD
Solutions FDTD参考手册、应用算例。有关文档的下载，可以到研发埠网站的专题模块，输入相应的Байду номын сангаас题名，搜索到相应的专题便可以找学软件 FDTD Solutions
FDTD Solutions软件由加拿大Lumerical Solutions公司出品。通过向研究和产品开发专业人士提供基于计算技术最新发展的高性能光学设计软件， Lumerical帮助光学设计者达到挑战性设计目标，满足严格的设计期限要求。 Lumerical的设计软件已在 30多个国家应用，全球科技领先厂商，如安捷伦、ASML、博世、佳能、Harris、Northrop Grumman、奥林巴斯、飞利浦、三星和意法半导体，以及众多卓越研究机构，如哈佛大学、加州理工学院、马

光子晶体能带fdtd

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。

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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。