COMSOL光学模块/FDTD时域有限差分/ RSoft光电器件设计

光电作为物理类专业课程中极为重要的一部分，其教学内容一直受到各个高校的重视。结合目前许多学生对实验开展的痛难点，将软件仿真引入实验当中，通过软件的可视化处理有效直观的展示光电仿真的流程，与实验数据结合，使得文章内容具有说服力、预见性和新颖性。

1. 本次系列共三个专题，均采用在线直播（理论+实操）、Step by step的教学方式、课堂上连麦答疑、提供无限次回放视频，发送全部案例模型文件，建立永不解散的课程群，长期互动答疑；课堂上以具体案例和科研论文为实例，讨论在处理具体问题时如何应用专业软件以及如何做出能够发表的结果；

2. 每一专题课程均通过多个场景案例的应用实例讲解，学习借助相应软件在不同的应用环境下分析、评估、预测行业中涉及器件的性能的方法，使光电子器件设计满足当前和未来的发展。

专题一：“COMSOL 多场耦合仿真技术与应用”光电专题

(一) 案列应用实操教学：
案例一	光子晶体能带分析、能谱计算、光纤模态计算、微腔腔膜求解
案例二	类比凝聚态领域魔角石墨烯的moiré 光子晶体建模以及物理分析
案例三	传播表面等离激元和表面等离激元光栅等
案例四	超材料和超表面仿真设计，周期性超表面透射反射分析
案例五	光力、光扭矩、光镊力势场计算
案例六	波导模型（表面等离激元、石墨烯等）本征模式分析、各种类型波导传输效率求解
案例七	光-热耦合案例
案例八	天线模型
案例九	二维材料如石墨烯建模
案例十	基于微纳结构的电场增强生物探测
案例十一	散射体的散射,吸收和消光截面的计算
案例十二	拓扑光子学：拓扑边缘态和高阶拓扑角态应用仿真
案例十三	二硫化钼的拉曼散射
案例十四	磁化的等离子体、各向异性的液晶、手性介质的仿真
案例十五	光学系统的连续谱束缚态
案例十六	片上微纳结构拓扑优化设计(特殊情况下，利用二维系统来有效优化三维问题)
案例十七	形状优化反设计：利用形状优化设计波导带通滤波器
案例十八	非厄米光学系统的奇异点：包括PT对称波导结构和光子晶体板系统等
案例十九	微纳结构的非线性增强效应，以及共振模式的多极展开分析
案例二十	学员感兴趣的其他案例

(一) 软件操作系统教学：

COMSOL软件入门

初识COMSOL仿真——以多个具体的案例建立COMSOL仿真框架，建立COMSOL仿真思路，熟悉软件的使用方法

COMSOL软件基本操作

Ø 参数，变量，探针等设置方法、几何建模

Ø 基本函数设置方法，如插值函数、解析函数、分段函数等

Ø 特殊函数的设置方法，如积分、求极值、求平均值等

Ø 高效的网格划分

前处理和后处理的技巧讲解

Ø 特殊变量的定义，如散射截面，微腔模式体积等

Ø 如何利用软件的绘图功能绘制不同类型的数据图和动画

Ø 数据和动画导出

不同类型求解器的使用场景和方法

COMSOL软件进阶

COMSOL中RF、波动光学模块仿真基础

Ø COMSOL中求解电磁场的步骤

RF、波动光学模块的应用领域

RF、波动光学模块内置方程解析推导

Ø 亥姆霍兹方程在COMSOL中的求解形式

Ø RF方程弱形式解析，以及修改方法(模拟特殊本构关系的物质)

Ø 深入探索从模拟中获得的结果

（如电磁场分布、功率损耗、传输和反射、阻抗和品质因子等）

边界条件和域条件的使用方法

Ø 完美磁导体和完美电导体的作用和使用场景

Ø 阻抗边界条件、过度边界条件、散射边界条件、周期性边界条件的作用

Ø 求解域条件：完美匹配层的理论基础和使用场景、 PML网格划分标准

Ø 远场域和背景场域的使用

Ø 端口使用场景和方法

波束包络物理场的使用详解

波源设置

Ø 散射边界和端口边界的使用方法和技巧（波失方向和极化方向设置、S参数、反射率和透射率的计算和提取、高阶衍射通道反射投射效率的计算）

Ø 频域计算、时域计算

Ø 点源,如电偶极子和磁偶极子的使用方法

背景场的作用及使用方法

材料设置

Ø 计算模拟中各向同性,各向异性,金属介电和非线性等材料的设置

Ø 二维材料,如石墨烯、MoS2的设置

特殊本构关系材料的计算模拟(需要修改内置的弱表达式)

网格设置

Ø 精确仿真电磁场所需的网格划分标准

Ø 网格的优化

案列教学

COMSOL WITH MATLAB功能简介

Ø COMSOL WITH MATLAB 进行复杂的物理场或者集合模型的建立(如超表面波前的衍射计算)

Ø COMSOL WITH MATLAB 进行复杂函数的设置(如石墨烯电导函数的设置和仿真)

Ø COMSOL WITH MATLAB 进行高级求解运算和后处理

COMSOL WITH MATLAB求解具有色散材料的能带

专题二：“RSoft光电器件设计仿真技术与应用”大纲
Rsoft基础入门	1、RSoftCAD 使用方法 1.1 RSoftCAD界面的常规介绍，总体和局部器件参数的设置 1.2 不同2D、3D器件的建立方式，用户自定义taper形的设置 1.3 用户自定义profile折射率分布的设置 1.4 材料参数的编辑，色散模型的建立 1.5 多边形、稜镜、螺旋结构和其它常规器件的建立 1.6 器件中次层结构的导入，阵列光子晶体的产生等
无源器件系列仿真	2、BeamPROP（BPM）、FullWAVE（FDTD）模块学习 2.1两个模块的数字模拟机理，使用原则 2.2 入射波场的设置 2.3 模拟参数的设置 2.4 监测器的设置 2.5 各种特性的测试和输出 3、实例计算： Ø 波导的本征模式 Ø 输入输出 Ø 偶合系数 Ø 传播功率 Ø 损耗等 Ø 光通过微器件后的透射 Ø 反射谱等
光纤波导、微波导、硅光电子器件模拟	4、实例计算： Ø 单模、多模光纤的模式计算 Ø 色散计算 Ø 超小波导中光的传播计算 Ø 弯曲波导中的损耗计算 Ø 硅波导、立式偶合器模拟分析 Ø 环形谐振器模拟分析 Ø 硅光自由电子调制器模拟分析 Ø SOI Mach-Zehnder调制器模拟分析 Ø SOI光子探测器模拟分析 Ø 其他学员感兴趣相关器件计算分析
光纤光栅结构、太阳能电池光学模拟	5、Diffractmode模块、Gratingmode模块学习（结合beamprop进行讲解，并以不同专业方向为例，让学员更系统理解模块之间的关联，以便更能灵活应用） Diffractmode模块: Ø 计算光栅结构的衍射 Ø 反射 Ø 透射率 以太阳电池对象为例： Ø 计算以光栅结构作为陷光结构 Ø 计算不同光栅结构下电池对光的吸收 Gratingmode模块： Ø 计算不同光纤光栅结构下的透射反射 以长周期光纤光栅和短周期光纤光栅为例： Ø 介绍如何设置不同的周期性参数 Ø 获取透射谱与反射谱

专题三：“FDTD 时域有限差分数值模拟方法与应用”光电专题

课 程	内 容
FDTD基础入门	1 FDTD Solutions 求解物理问题的方法 1.1 FDTD与麦克斯韦方程 1.2 FDTD中的网格化 2 FDTD Solutions 特点与应用 3 FDTD功能与使用 Ø 主窗口——CAD人机交互界面 Ø 计算机辅助设计（CAD）模拟编辑器:主标题栏、工具条、实体对象树实体对象库、脚本提示与脚本编辑窗口
FDTD仿真流程	4 FDTD仿真通用流程 Ø 激励光源选择及设置（以左旋圆偏光的设置为例） Ø 模拟的实体对象：基底、结构（Structures）的选择及设置 Ø 仿真区域及其设置（以区域大小设置及mesh选择为例） Ø 不同监视器功能及使用（以超构表面频域功率监视器设置为例） Ø 材料库与材料浏览器（以多晶硅与二氧化钛的数据导入为例） Ø 模拟计算与分析：资源管理、运行模拟 Ø 结果分析：视觉化器使用Visualize、使用脚本进行高级分析
FDTD仿真实例	实例内容： （一）设置Pancharatnam–Berry型超构表面结构，单元旋向及位置 （二）传输型超构表面单元的结构扫描与选取 （三）传输型超构表面的相位分布设置 （四）通过相位叠加螺旋相位模拟生成漩涡光 （五）超构表面的透过率/聚焦效率的分析 （六）不同偏振态的光入射下，验证传输型超构表面偏振不敏感性 （七）利用脚本由近场计算远场 （八）利用脚本的导出结果及MATLAB结果分析—偏振转换效率计算 （九）利用TFSF计算纳米结构散射场信息 （十）利用TFSF和自定义材料计算复合结构散射场信息 （十一）利用MATLAB计算结果及脚本设置超构表面—生成全息图形 （十二）利用导入光源进行任意光源设置 （十三）利用脚本构建波导结构 （十四）波导截面本征模式分析
模拟论文复现	5 PB型超构表面设计：生成聚焦及涡旋光斑 ----（根据发表在Science上的论文） 6 PB型超构表面设计：生成Airy光束 ----(根据发表在ACS NANO上的论文) 7 传输型超构表面设计：生成Airy光束 ----（根据发表在Photonics Research上的论文） 8 等离子激元纳米结构光学特性以及有效介质理论计算复合结构的光学特性：量化散射截面与吸收截面 ----（根据发表在ACS Nano上的论文） 9 渐变耦合双波导设计：波导本征模式转换 ----（根据发表在Physical Review Letters上的论文） 10 L型截面波导设计：不同偏振波导本征模式转换 ----（根据发表在Physical Review Letters上的论文）

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