Ansys Insight: 我的仿真结果为什么与文献或实验结果不一致?

gsungsun Ansys Employee Posts: 142
edited April 2021 in Photonics - Chinese

英语帖子在这里 Why my simulation result is different from published paper or experiment? — Ansys Learning Forum

这个也是常见的问题。一般来说,文献上都是用经过多次仿真得到的最好结果,而一般用户刚接触这种课题,需要一定的时间熟悉软件和设置,以得出可以发表的结果。

我简单列出了一些需要考虑的地方:

  1. 要注意检查结构参数是否完全一致?
  2. Mesh Order 的设置是否正确表示实际结构?
  3. 所用网格精度或override能否分辨器件的细节,或者与其它文献一样?(很多情况下你的网格设置与文献的不同,有些结构对网格要求很高。但是一般情况下不要一开始就用很细的网格)
  4. 仿真区大小是否合适?PML是不是距离结构太近?
  5. 材料模型:是简单的杜德模型、洛伦茨模型?还是测量数据,与材料库中的数据是否完全一样?
  6. 材料的折射率拟合fitting是否正确?曲线是否光滑且没有人为的谐振峰?
  7. 材料模型是极其重要的参数
  8. 所用光源模式是否与文献完全一样
  9. 光源类型和偏振方向是否正确(TE/TM有两种不同的定义)
  10. 光源脉冲长度是否合适?脉冲太短可能光源光谱不光滑,请查看
  11. 光源空间位置是否合适?
  12. 边界条件是否正确且与光源类型匹配?对称性边界正确吗?
  13. PML类型和层数(总厚度)以及位置是否合适?PML应该位于均匀网格的区域
  14. Mesh Refinement 一般请使用缺省Conformal variant 0,即使有金属材料也一样,除非你真正了解不同Conformal之间的区别
  15. 模拟时间是否足以使电磁场脉冲通过器件后衰减到足够小?autoshutoff min是否足够小?这个对一些谐振波长出的反射率或透射率绝对值有直接影响
  16. 光栅类结构(也就是周期性结构) 是否有高级衍射? Transmission直接给出的是总透过率 .实验中所用的光学系统NA是否接收到了高级衍射?
  17. 实验所用的波长点与仿真一致吗?这个问题特别对于宽光谱、结果随波长急速变化的情况很重要。一般实验所用的波长点数少,导致不能反映实际上随波长快速变化的情况。

一般模拟结果与文献结果大致类似,即表示基本设置几乎没有错误,但要得到完全一致的结果,需要精细调整许多设置, 以及做收敛性试验 。收敛性测试比较复杂,参见 https://support.lumerical.com/hc/en-us/articles/360034915833-Convergence-testing-process-for-FDTD-simulations

此外,一些文献并没有给出重复结果所需要的全部数据,包括器件参数和仿真参数,这给复现带来了一些问题。有的时候,文中的中数据并不是仿真时的数据,原因有多种.

有的文献用的是其它算法,所给数据适合其计算,但是并不一定适合我们软件计算。

其它请参考 https://forum.ansys.com/discussion/25188/fdtd%E5%88%9D%E5%AD%A6%E8%80%85-%E4%BB%BF%E7%9C%9F%E6%96%87%E4%BB%B6%E8%AE%BE%E7%BD%AE%E8%BF%90%E8%A1%8C%E5%B8%B8%E8%A7%81%E9%97%AE%E9%A2%98/p1?new=1

因此,要重复文献结果,实际需要很多努力。所以我建议,如果能得到基本一致的结果就不用再进一步追求完美一样了,把这时间用在自己的设计可能更有意义,除非我们软件从来没有仿真过类似器件。

为什么说基本一致就可以了?这是因为不同仿真软件之间、不同用户之间、不同实验之间有很多不同的处理,下面给出几篇参考文献,这些都是欧洲一个专门小组每两年的对比测试报告:

1: 专门委员会比较不同软件: Benchmarking of Optimally Used Commercial Software Tools for Challenging Antenna Topologies: The 2012·2013 Run,iEEE Antennas and Propagation Magazine, Vol. 55, No. 3, June 2013

2:有厂家认为没有充分利用他们软件的高精度功能,自己测试比较:

State-of-the-Art in Antenna Software Benchmarking: “Are We There Yet ?” IEEE Antennas and Propagation Magazine, Vol. 56, No.4, August 2014

3:有人说最好和实验比较:bridging the simulation-measurement gap ,IEEE Antennas and Propagation Magazine, Vol. 58, No.6, August 2016,pp12~14

纳米光学也有作比较的文章,比如:

文献题目:Comparison of electromagnetic field solvers for the 3D analysis of plasmonic nano antennas

http://proceedings.spiedigitallibrary.org/proceeding.aspx?articleid=784393 

此文献没有给出详细的材料模型。

实验与理论仿真:June 2017 IEEE PhotonIcs society newsletter 中的Application-Tailored Specialty Optical Fibers一文中,图4给出了实际测量和仿真的模式比较,可以看出它们之间的差别是很明显的,但是这并不否认实验或者仿真的正确性。图7给出了仿真和实际测量的透射率结果:可以看出谐振波长差别较大,但是谐振效应都是一样的。最后我还想强调一点,参阅别人文章的时候,最好是带着怀疑的态度,发表的文献结果并不一定就是完全正确,不管它是多么高级多么高影响因子的期刊,这种情况并不是孤立的。从最伟大的科学家到普通的科研人员,都有可能在比较仓促的情况下就发表了,有的时候可能没有时间或者并没有深究其中的问题,或者当时并没有意识到问题,或者用错了图表或者数据。

APL被引用较多的一篇超材料的仿真与实验结果比较 https://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/1.5024433?Track=APLDEC2018&utm_source=AIP%20Publishing&utm_medium=email&utm_campaign=10055425_APL%202018%20Year%20in%20Review&dm_i=1XPS,5ZITD,M80VFD,NGMBS, 301 30

与实验比较问题可能更严重一些: 器件尺寸、形状、尖角,测量误差,更重要的是材料。实际材料的折射率并不一定与仿真所用的一样,不同的制造工艺和不同的处理方法,甚至不同的批次,材料折射率都有可能不同。 在纳米情况下以及两个或多个纳米粒子相互作用下, 可能需要量子修正Size-dependent permittivity and intrinsic optical anisotropy of nanometric gold thin films: a density functional theory study](https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-21-10-11827 5)

下面一篇文章将纳米结构尺寸和形状都考虑了对材料特性是修正:

Phys. Rev. Lett. 111, 093901 (2013) - Surface Plasmons and Nonlocality: A Simple Model (aps.org)

传统的光学玻璃制造时,要保证每一锅的玻璃折射率在指定的公差内,都必须实际测量。而在纳米光学中,很多情况都是直接采用体材料(Bulk Material)的结果。FDTD材料库中金和银都分别给出了几套折射率材料,我们并不能说某套材料的数据不对,因为都是权威实验室测量的结果。

Comments

  • lee_kai_yuenlee_kai_yuen Posts: 1Member

    受教了,十分感谢!

  • gsungsun Posts: 1,694Ansys Employee
    edited June 2021

    谢谢!希望大家总结出更多的原因。

    一些文献并没有给出重复结果所需要的全部数据,包括器件参数和仿真参数,这给复现带来了一些问题。有的时候,文中的中数据并不是仿真时的数据,原因有多种.有的文献用的是其它算法,所给数据适合其计算,但是并不一定适合我们软件计算。例如,在这篇文献中

    Y. Li等, 3D simulation of morphological effect on reflectance of Si3N4 sub-wavelength structures for silicon solar cells

    Nanoscale Research Letters 2012, 7:196 13

    第二节中特别说明硅基底的厚度用的是600纳米。按照文献的叙述,用户建立的仿真文件如下所示:

    仿真结果与文献大不相同。但是,文献中也给出硅是衬底,因此做如下调整,得到与文献一致的结果:

    因此,要重复文献结果,实际需要很多努力。所以我建议,如果能得到基本一致的结果就不用再进一步追求完美一样了,把这时间用在自己的设计可能更有意义,除非Lumerical软件从来没有仿真过类似器件。

  • dreamfuturedreamfuture Posts: 11Member

    受教了,真的很感谢您

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