在光子學(xué)領(lǐng)域，Lumerical FDTD作為一款功能強(qiáng)大的時(shí)域有限差分法仿真軟件，廣泛應(yīng)用于模擬光在各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的傳播特性。合理且精 確的配置是確保仿真結(jié)果準(zhǔn)確性和高效性的關(guān)鍵，下面將詳細(xì)介紹其配置要點(diǎn)。
一、基本模型構(gòu)建與設(shè)置
1.幾何結(jié)構(gòu)搭建
導(dǎo)入外部模型：Lumerical FDTD 支持多種常見(jiàn)的 CAD 文件格式導(dǎo)入，如 STEP、IGES 等。這使得用戶(hù)可以直接將在專(zhuān) 業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)軟件中創(chuàng)建的復(fù)雜光子結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入到 FDTD 中。例如，在設(shè)計(jì)集成光子芯片時(shí)，可將芯片的三維結(jié)構(gòu)從 CAD 軟件導(dǎo)入，減少在 FDTD 中重新建模的工作量和誤差。
內(nèi)置繪圖工具建模：對(duì)于相對(duì)簡(jiǎn)單的幾何形狀，F(xiàn)DTD 提供了豐富的內(nèi)置繪圖工具。用戶(hù)可以輕松創(chuàng)建矩形、圓形、多邊形等基本幾何形狀，并通過(guò)拉伸、旋轉(zhuǎn)等操作構(gòu)建復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)。例如，在構(gòu)建光子波導(dǎo)時(shí)，可使用矩形工具繪制波導(dǎo)的橫截面，再通過(guò)拉伸操作得到所需長(zhǎng)度的波導(dǎo)。
2.材料參數(shù)設(shè)置
材料庫(kù)選擇：軟件自帶龐大的材料庫(kù)，涵蓋了常見(jiàn)的光學(xué)材料，如硅、二氧化硅、氮化硅等。用戶(hù)只需在材料庫(kù)中搜索相應(yīng)材料，即可快速獲取其光學(xué)常數(shù)，包括折射率、消光系數(shù)等。例如，在設(shè)計(jì)硅基光子器件時(shí)，直接從材料庫(kù)中選擇硅材料，軟件會(huì)自動(dòng)填充其在不同波長(zhǎng)下的光學(xué)參數(shù)。
自定義材料：對(duì)于一些特殊材料或?qū)嶒?yàn)測(cè)量得到的材料參數(shù)，用戶(hù)可以自定義材料屬性。在自定義過(guò)程中，需輸入材料在不同頻率或波長(zhǎng)下的電磁參數(shù)，以精 確模擬光與該材料的相互作用。
二、光源設(shè)置
1.光源類(lèi)型選擇
連續(xù)波光源（CW）：適用于研究穩(wěn)態(tài)光學(xué)現(xiàn)象，如光在波導(dǎo)中的傳播損耗、諧振腔的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)等。用戶(hù)可以設(shè)置連續(xù)波光源的中心頻率、偏振方向等參數(shù)。例如，在分析單模光纖的傳輸特性時(shí)，選擇連續(xù)波光源并設(shè)置其偏振方向與光纖的偏振保持方向一致，以準(zhǔn)確模擬光在光纖中的傳輸情況。
脈沖光源：用于研究瞬態(tài)光學(xué)過(guò)程，如超短脈沖在光子結(jié)構(gòu)中的傳播、光與物質(zhì)的超快相互作用等。脈沖光源可設(shè)置脈沖寬度、中心頻率、頻譜分布等參數(shù)。例如，在研究飛秒激光與納米結(jié)構(gòu)的相互作用時(shí)，需要精 確設(shè)置脈沖光源的脈沖寬度和頻譜，以模擬實(shí)際的飛秒激光脈沖特性。
2.光源位置與方向
位置設(shè)置：根據(jù)仿真需求，將光源放置在合適的位置。在模擬波導(dǎo)耦合時(shí)，需將光源精 確放置在波導(dǎo)的輸入端口附近，確保光能夠有效耦合進(jìn)入波導(dǎo)。
方向設(shè)置：準(zhǔn)確設(shè)置光源的發(fā)射方向，使其與所研究的光學(xué)結(jié)構(gòu)的傳播方向相匹配。例如，在模擬垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）的出射光時(shí)，光源方向應(yīng)設(shè)置為垂直于器件表面。
三、網(wǎng)格設(shè)置
1.網(wǎng)格類(lèi)型
均勻網(wǎng)格：在結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、尺寸較大的區(qū)域，均勻網(wǎng)格劃分能夠快速完成且計(jì)算量較小。例如，在模擬光在自由空間中的傳播時(shí)，可采用均勻網(wǎng)格。
非均勻網(wǎng)格：對(duì)于具有復(fù)雜幾何形狀或需要高精度模擬的區(qū)域，如納米光子結(jié)構(gòu)中的亞波長(zhǎng)特征區(qū)域，非均勻網(wǎng)格可在保證精度的前提下減少計(jì)算量。非均勻網(wǎng)格能夠在關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行局部加密，在其他區(qū)域保持相對(duì)稀疏。
2.網(wǎng)格尺寸
空間分辨率：根據(jù)所研究的光子結(jié)構(gòu)的zui小特征尺寸確定網(wǎng)格尺寸。一般來(lái)說(shuō)，網(wǎng)格尺寸應(yīng)至少小于zui小特征尺寸的十分之一，以確保能夠準(zhǔn)確捕捉光的傳播細(xì)節(jié)。例如，對(duì)于具有 100 納米特征尺寸的納米天線，網(wǎng)格尺寸應(yīng)設(shè)置為 10 納米或更小。
時(shí)間步長(zhǎng)：時(shí)間步長(zhǎng)與空間網(wǎng)格尺寸密切相關(guān)，需滿(mǎn)足 Courant - Friedrichs - Lewy（CFL）條件，以保證數(shù)值穩(wěn)定性。軟件通常會(huì)根據(jù)設(shè)置的空間網(wǎng)格尺寸自動(dòng)計(jì)算推薦的時(shí)間步長(zhǎng)，但用戶(hù)也可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行微調(diào)。
四、邊界條件設(shè)置
1.完美匹配層（PML）
應(yīng)用場(chǎng)景：PML 是常用的邊界條件之一，用于模擬開(kāi)放空間，吸收從計(jì)算區(qū)域傳播出去的光，避免反射回計(jì)算區(qū)域影響仿真結(jié)果。在模擬光在無(wú)限大介質(zhì)中的傳播、光子器件與外部環(huán)境的相互作用等場(chǎng)景中廣泛應(yīng)用。
參數(shù)設(shè)置：用戶(hù)可以設(shè)置 PML 的厚度和吸收系數(shù)。一般來(lái)說(shuō)，PML 厚度設(shè)置為幾個(gè)網(wǎng)格尺寸，吸收系數(shù)根據(jù)具體仿真需求進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到更佳的吸收效果。
2.周期性邊界條件
應(yīng)用場(chǎng)景：適用于具有周期性結(jié)構(gòu)的光子系統(tǒng)，如光子晶體、光柵等。周期性邊界條件可大幅減少計(jì)算量，通過(guò)模擬一個(gè)周期單元來(lái)推斷整個(gè)周期性結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性。
設(shè)置方法：在 FDTD 中，只需指定周期性方向和周期長(zhǎng)度，軟件會(huì)自動(dòng)識(shí)別并應(yīng)用周期性邊界條件。
五、仿真監(jiān)控與輸出設(shè)置
1.場(chǎng)監(jiān)控器
電場(chǎng)與磁場(chǎng)監(jiān)控：用戶(hù)可以在計(jì)算區(qū)域內(nèi)放置電場(chǎng)和磁場(chǎng)監(jiān)控器，以獲取特定位置和時(shí)刻的電場(chǎng)和磁場(chǎng)強(qiáng)度分布。例如，在研究光在波導(dǎo)中的模式分布時(shí)，在波導(dǎo)橫截面放置電場(chǎng)監(jiān)控器，可觀察到不同模式下的電場(chǎng)分布情況。
功率監(jiān)控：通過(guò)設(shè)置功率監(jiān)控器，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)光在結(jié)構(gòu)中的傳輸功率、反射功率和透射功率等。在評(píng)估光學(xué)器件的性能，如濾波器的插入損耗、反射器的反射率等方面具有重要作用。
2.仿真輸出設(shè)置
輸出數(shù)據(jù)格式：FDTD 支持多種輸出數(shù)據(jù)格式，如 CSV、MATLAB 等，方便用戶(hù)后續(xù)對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。用戶(hù)可根據(jù)自身需求選擇合適的輸出格式。
輸出時(shí)間間隔：根據(jù)仿真時(shí)間和所需數(shù)據(jù)的詳細(xì)程度，設(shè)置合適的輸出時(shí)間間隔。對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間的仿真，適當(dāng)增大輸出時(shí)間間隔可減少數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量；對(duì)于瞬態(tài)過(guò)程的精細(xì)研究，則需設(shè)置較小的輸出時(shí)間間隔。
Lumerical FDTD 的配置是一項(xiàng)系統(tǒng)且精細(xì)的工作，涵蓋基本模型構(gòu)建、光源設(shè)定、網(wǎng)格劃分、邊界條件界定以及仿真監(jiān)控與輸出等多個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。這些配置要點(diǎn)相互關(guān)聯(lián)、相互影響，共同決定了仿真結(jié)果的可靠性與實(shí)用性。只有深入理解并熟練掌握 Lumerical FDTD 的各項(xiàng)配置，才能充分發(fā)揮該軟件在光子學(xué)研究中的強(qiáng)大功能，為新型光子器件設(shè)計(jì)、光傳播特性分析等工作提供有力支持，推動(dòng)光子學(xué)領(lǐng)域的不斷創(chuàng)新與發(fā)展 。