FDTD Solutions自学整理笔记入门教程

FDTD Solutions自学整理笔记入门教程(转载+补充）

1.边界条件

（1）General：设置2D/3D，背景折射率，仿真时间

 

(注：run过程中，如果process一直跑到100%才结束，说明仿真时间太短了，需修改)；

FDTD Solutions默认设置的模拟时间是1000fs(必须保证有足够时间使结果收敛)，而模拟会在场衰减到小于用户定义的电场强度时(默认设置是1E-5)自动结束；

仿真时间一般至少是光经过高折射率材料的仿真区域所用时间的两倍。

（2）Geometry：设置仿真区域大小

（3）Mesh settings：设置网格类型、网格精度、亚网格处理(材料界面处理)，推荐使用默认的自适应网格，精度使用默认2(初始使用，如有需要再提高精度)，材料界面处理选择默认0(注意：conformal variant 1通常只适合在低折射率对比的情况下使用，并不一定适合所有的金属材料)；

 

有可能会出现结果依赖mesh，比如峰值会随着mesh明显移动，这个是正常的，实际上有可能随Mesh Accuracy 变，这个是因为一般情况我们为可快速得到结果，网格精度比较粗糙。要得到精确结果，你需要做收敛性测试。

Mesh accuracy是FDTD自适应网格所用的划分网格大小的一个指标，共有８个精度：1对应最小波长的１／６；2对应最小波长的１／１０；3对应最小波长的１／１４；4对应最小波长的１／１８；5对应最小波长的１／２２；6对应最小波长的１／２６；7对应最小波长的１／３０；8对应最小波长的１／３４。这里的最小波长是指材料内的最短波长，如果是金属材料，还要考虑SkinDepth，实际上比较复杂的。

If your simulation involves metals, then you may want to consider using Conformal variant 1。选择Conformal variant 1就需要足够小的mesh size，否则会产生偏差。足够小的mesh也是相对而言的。In some cases, a <5nm mesh is sufficient, while in other cases a 1nm is not sufficient (optical wavelengths)。

Please do some careful convergence testing between Conformal variant 0 and Conformal variant 1 to test which method you should use for your particular application

一般我们建议PML应该离开结构半个波长左右；

FDTD Solutions还提供mesh ，在仿真区域内设置，即局部网格设置。一般情况下，这些局部网格（当然如果必要也可以将整个仿真区覆盖，不过一般不建议这样做，因为有其它的方法可以设置）都是为了进一步将某局部网格细化，例如分辨几何细节，高掺杂区，感兴趣所的量局部变化梯度很大等。也有个别时候反而是将网格加粗，这种粗化网格的使用需要慎重，除非你清楚知道原因和后果。

mesh的典型应用是dx=dy＜lamda/(10n)，n是材料中的最高折射率。

（4）Boundary conditions：

PML: 完美匹配层，吸收边界(最少反射)，全部吸收传输的电磁波，相当于传播到无限远；设置时要确保PML边界离开物体至少半个波长左右(有必要一个波长也可以)，因为PML不只会吸收入射光源，也会吸收速失场(evanescent field)

Metal:反射边界，电场全部反射；

Periodic:只使用于周期结构，平面波入射情况下(以免光源被切断而产生衍射边缘效应)。光源正入射，如果光源与坐标轴有一定角度，必须在有角度的平面使用Bloch边界条件。Periodic是Bloch的特殊情况；

Bloch:是Periodic的一般形式；它是一种普遍的边界条件，由于数学上要求它只能针对指定的波长有指定的入射角，其它波长的实际入射角将不同于指定的那个入射角，因此一般情况下，它适合单波长计算。

Symmetric/anti-symmetric:对称/反对称边界条件。要求：结构对称性，光源的偏振也要对称。

（5）Advanced options:

这里主要注意设置auto shutoff，一般用默认即可1E-05，也可改的更小。