OptiFDTD概况

lanseyouyu1976

什么是OptiFDTD以及FDTD

OptiFDTD是一款功能强大，高度集成，用户友好的App，可以对高级无源光子器件进行计算机辅助设计和仿真。OptiFDTD是基于有限时域差分法（FDTD）的App。FDTD方法已成为集成衍射光学器件仿真的有力工程工具。该方法直接求解麦克斯韦方程，没有预处理假设，允许FDTD模拟定义几何体，光源和探测器，同时可以模拟传播，散射，衍射，反射，偏振效应。它还可以模拟材料各向异性和色散，而无需对场行为进行任何假设，例如缓慢变化包络近似方法。FDTD能够实现有效且强大的仿真能力，并对具有非常精细结构细节的亚微米器件进行分析。亚微米级表示高度的光限制，并且相应地，在典型的器件设计中使用的材料的折射率差异大，这是使用其他数值方法无法解决的限制。

FDTD依赖于求解域的空间和时间的离散化。耦合的电磁场沿着由Yee单元组成的网格进行离散化。磁场和电场分量以交错的方式定位在每个单元的边缘上。 通过计算立方体的相对边缘上的两个场分量之间的有限差分，可以获得场的空间导数的二阶近似。有限差分法同样用于近似场的时间导数。用于计算和更新每个时间步的电场和磁场的模拟空间的算法称为Yee算法。当空间和时间步长趋于零时，计算问题的解的精度应收敛。这种增加的准确性是以完成模拟所需的时间和存储模拟所需的内存为代价的。
模拟网格中的每个单元表示具有设置材料属性的小体积。 OptiFDTD中的材料可以是多种类型：

 各向同性和对角各向异性电介质
 使用Drude，Lorentz或Lorentz-Drude模型的色散材料
 完美导体
 非线性材料（2阶，3阶或者拉曼）

除了这些材料之外，FDTD模拟还需要定义光源和探测器，以便可以将功率注入到网格中，并且可以监视场域。光场可以保存为时变域或者使用离散傅里叶（DFT）转换为频域。

OptiFDTD工作流程

使用OptiFDTD创建和运行FDTD模拟可以使用以下4个主要程序来完成：
 OptiFDTD Designer-OptiFDTD主要程序。从这里，您可以创建新设计、设置模拟参数、编写脚本和启动模拟。数据保存在扩展名为.fdt的项目文件中。
 OptiFDTD Simulator-从设计器运行模拟并处理.fdt文件中的项目文件。在Desinger中实行模拟时自动打开。模拟结果存储在扩展名为.fda的文件中。
 OptiFDTD Analyzer-使用OptiFDTD Analyzer（.fda）加载并分析生成的结果文件。包含广泛的查看选项、分析和后处理功能，并具有将数据导出为其他文件格式的功能

一个典型的FDTD仿真设计顺序可以定义为：首先定义仿真域大小，然后定义仿真中使用的材料和轮廓，然后创建组成仿真的对象、光源和探测器，运行仿真，最后分析结果。使用OptiFDTD进行的典型模拟的工作流程如下所示。

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