微纳光子学设计仿真工具-FDTD Solutions 专题资料集锦

Lumerical Solutions公司FDTD Solutions 7.0版为微纳光学设计提供优化和共形网格化技术2010/10/29/11:27来源：MarketwireMarketwire2010年10月26日不列颠哥伦比亚省温哥华消息——全球纳米光学设计软件供应商LumericalSolutions公司今天宣布，其旗舰产品FDTDSolutions7.0版已经进行了创新性升级。

升级项目包括集成参数扫描分析与优化计算、业内首个面向纳米光学设计的共形网格和一个方便复杂器件设计的扩展仿真元器件库。

Lumerical首席技术官JamesPond博士表示：“FDTDSolutions7.0延续了Lumerical的传统：在易用的电脑辅助设计环境下整合最先进的算法，为突破性创新提供得力设计工具。

FDTDSolutions7.0与非常适用的优化算法相结合，是目前最好的工业级纳米光学设计软件。

设计人员和研究人员现在可以通过评估和优化他们的最佳设计概念来迅速取得进展。

”为优化、计算速度和精确性而设计FDTDSolutions7.0能让终端用户通过其独有的共形网格技术工具，获得更高的计算效率和精度。

在数字成像和太阳能等快速发展的行业，通过采用共形网格技术而获得更高精度的仿真结果，受到越来越多的追捧。

共形网格技术是通过麦克斯韦积分方程对不同介质之间界面的复杂描述，可达到亚晶胞精度。

与其它为低频应用（在这些应用中多数金属接近完美导体）而设计的类似技术不同的是，Lumerical的技术建立在其专有的高精度多系数材料特性拟合上，能精确模拟实际光学器件设计中任意色散介质之间的界面。

加利福尼亚州帕洛阿尔托的博世研究与技术中心高级工程师InnaKozinsky博士表示：“我们使用FDTDSolutions解决薄膜太阳能电池中的光传播问题。

现实生活中的太阳能电池器件相当复杂，包含多层材料，而FDTDSolutions7.0的共形网格使我们能够优化太阳能电池活性层的吸收，而不是手工设置非常精细的网格和分析大量的仿真结果。

lumerical fdtd表面等离激元
以'Lumerical FDTD表面等离激元'为标题的内容如下:
Lumerical FDTD是一款功能强大的电磁场模拟软件,广泛应用于纳米光子学、等离激元光子学、光子晶体等领域。

其中,表面等离激元(Surface Plasmon Polariton, SPP)是一种特殊的表面电磁波,它沿金属/介质界面传播,场强最大值集中在界面处,并呈现出指数衰减特性。

在Lumerical FDTD中,可以方便地模拟和分析SPP的传输特性。

通过设置合适的金属/介质界面,激发光源可以有效地激发出SPP模式。

FDTD算法能够准确计算SPP的色散关系、传播损耗等参数,同时可视化SPP的电磁场分布。

Lumerical FDTD提供多种边界条件选择,能够很好模拟周期性或无限大的金属/介质结构。

用户还可以定义各向异性介质、非线性介质等复杂介质模型,并将其应用于SPP的研究中。

Lumerical FDTD是研究表面等离激元极佳的工具。

通过它,我们可以深入理解SPP的本质,优化等离激元器件的性能,并为新型光子集成电路的设计提供参考。

第一章FDTD Sol u tions 简介使用FDTD Solutions来进行仿真设计计算简单易懂。

首先要在FDTD Solutions的CAD 编辑状态建立一个要运算的文件（文件扩展名是.fsp），它必须包含有关物理结构、光源、监视器、以及仿真运算所需要的参数。

将此文件SAVE后就可以运行。

运行结束后，计算所得数据添加在原文件之内，然后就可以进行分析。

进行仿真设计计算这一简单过程一般需要如下图所示的步骤。

在随后的章节中将会详细讲解这些步骤。

1.1什么是FDTD？FDTD是F inite -D ifference T ime-D omain 的简写。

现在该方法已经成为求解复杂结构中麦克斯韦方程的最常用方法。

它是一种全矢量法，因此很自然地就会给出用户所需要的时域和频域信息。

这是该方法在电磁学和光子学所有应用中所拥有的独特优点。

FDTD技术在时间和空间都是离散的。

因此电磁场和所感兴趣结构材料必须在由所谓的YEE元胞构成的网格上予以描述。

麦克斯韦方程的求解在时间上是离散的，所用的时间步长通过光速与网格尺寸紧密相关。

在网格尺寸趋于零的极限情况下，这项技术准确无误地描述麦克斯韦方程。

所要仿真计算的结构可以具有各种各样的多种电磁材料特性。

根据需要，可以同时使用多个光源。

典型情况下，程序一直运行，直到电磁场能量几乎全部离开整个仿真计算区为止。

时域信息可以在任何一个或多个空间点上予以记录。

这些数据的纪录可以贯穿整个计算过程，也可以仅在用户设立的时间点上进行。

频域信息也可以在任何一个或多个空间点或面上予以记录，它们是通过对时域信息进行傅立叶变换获得的。

正因为如此，一次运行就可以获得能流和模式结构的频率依赖关系。

此外，应用FDTD技术获得的近场结果也可以变换到远场。

这种近场-远场变换在诸如散射研究等应用方面是非常重要的。

1.2 第一步：创建器件的物理结构打开FDTD Solutions 后，一个有三维视窗的外形编辑器（Layout Editor，简称编辑状态）就呈现在眼前。

一基于Au薄膜正三角形孔阵列提取光场强度分布图本例子中取Au薄膜厚度30nm，三角形孔阵周期800nm，小孔直径600nm。

Au的材料模型选取“Au (Gold)–CRC”，或者自建材料模型。

参见hole arrays_E fied profile.fsp文件。

1.添加金薄膜，打开FDTD Solution 软件后点击“structure”，添加长方体模块。

如下图所示。

点击，对几何参数和材料类型等进行编辑。

参照下图。

先将“name”改为“Au 30nm”，在“Geometry”下设置金薄膜的几何尺寸，我们只需要对下图红框所示的左边一栏进行编辑，其中“x span、y span、z span”分别对应金薄膜的长、宽和厚度，而“x、y、z”表示其几何中心的坐标值，均设置为0。

在“x span”中输入“0.8*2+0.6”，“y span”中输入“0.8*sqrt(3)+0.6”,“z span”中输入“0.03”，对应金薄膜厚度为30nm，便可得到如下图所示的结果。

点击“material”，选择所使用的材料类型，如下图所示，选中“Au (Gold) - CRC”，点“OK”保存即可。

现在对金膜的几何尺寸和材料类型设置完成。

2.在金薄膜中添加小孔阵列。

点击中的三角形，在下拉菜单中选择“Photonic crystals”。

然后在屏幕右侧的“Object”一栏中选中“Hexagonal lattice PC array”，点击“Insert”进行添加。

在左侧的结构树“object tree”中选中“hex_pc”,即我们刚才添加进去的六边形阵列，点击对它进行编辑。

各参数设置如下图所示，其中“a”表示小孔之间的间距，即三角形孔阵的周期，“radius”表示小孔半径。

设置完成后，点“ok”保存。

经过上面的步骤，我们搭建的模型的如下图所示。

我们发现经过上面的设置所得到的三角形孔阵列其中两个小孔超出了金膜，为了好看起见，希望将多余的这两个小孔删掉，首先，如下图所示，在结构树下选中“hex_pc”，单击鼠标右键在菜单中选择“break groups”，不进行这项操作无法删掉多余的小孔。

以上面图像为例子，设置时只需要设置一个周期，然后将边界设为周期结构即可。

1.打开fdtd软件
2.单击structures设置结构。

3.选中物体单击右键设置参数。

给结构命名，x,y,z确定结构在各个方向上的范围。

5设置选中结构的材料，如果material里有想要的材料直接选中即可，没有的可以通过查询，将其折射率直接输入到index中。

6.当结构重叠时，可勾选下面按钮，设置重叠部分的优先性，数字越小优先性越高。

7.设置基底上的光栅结构，先设置下层Al。

8.设置中间层PMMA
9.设置上层Al
10.单击Simulation选中region设置模拟区域。

Geometry设置单元结构参数，一般选取一个周期即可，所以X span和Y span就是周期，然后在boundary conditions中将x，y都选为periodic。

点击OK.
11.在Source中选取plane wave，genaral中入射方向改为向下入射，geometry中X span和Y span选取的要比周期大，Frequency/wavelength中改变入射波长范围。

12.在Monitor中选取frequency domain field and power探测器。

勾选第一项，将frequency points变为200，将探测器放于光源上方探测反射率。

还可以在选取一个探测器放于下方探测投射，一次模拟可以放入多个探测器。

13.结构设置完成之后，点击RUN，运行，待运行完毕后，选择对应的探测器，可以看出探测到的结果。

FDTD_getting_started翻译配合FDTD_getting_started看1.介绍用FDTD Solutions进行模拟是很简单的。

首先，创建一个FDTD Simulation Project文件（扩展名为*.fsp）。

它包含了关于物理结构，光源，监测器，模拟参数的细节。

保存这个工程文件然后运行模拟。

运行完后，结果数据会加到fsp文件，用于分析。

模拟的通常步骤如下图所示。

在接下来的章节中有更详细的描述。

1.1什么是FDTD？时域有限差分方法已经成为目前最新的在复杂几何条件下解决麦克斯韦方程的方法。

它是一个完全的矢量方法，既给出时域也给出频域的信息，它给电磁学和光子学的所有类型问题都提供了独特的视角。

这个方法在空间和时间上都是离散的。

电磁场和目标结构材料都在一种用所谓的Yee元胞组成的独立的网孔中来描述。

麦克斯韦方程在离散的时域中解决，所用时间步长和光通过网孔尺寸所用时间有关。

当网孔大小趋于零时，这个方法确切的描述了麦克斯韦方程。

供模拟的结构可以有各种各样的电磁材料特性。

多种源可以加入到模拟中，连续迭代（重复）可以使电磁场随时间传播。

一般的，模拟运行后会直到在模拟区域基本上没有电磁场剩下才停止。

时域信息可以在任何空间点被记录。

这些数据可以在模拟的时候记录下来，也可以作为一系列快照在任何用户定义的时间记录下来。

任何空间点的频域信息可能可以通过对该点时域信息的傅里叶变换得到。

因而在一个简单的模拟中得到的基于能流和模型文件的频率可能分布在很广的频率范围。

另外，FDTD获取的近场结果可能被转成远场的，这对于研究散射是很重要的。

1.2第一步：创建物理结构版图编辑器（图略）用Structures列表创建几何结构。

他们的特性用EDIT编辑。

工具栏，在左边。

用Aligning按钮安排对象的位置。

材料特性：可自行定义或从数据库中选择。

1.3第二步：设置模拟区域和时间用ADD SIMULATION REGION设置：模拟区域，其大小和位置，网格精度，合适的边界条件。