Ansys Insight: FDTD初学者:如何建立和设置仿真文件

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

这个帖子系根据之前论坛中阅读量最高的帖子改写。

对于首次接触FDTD软件的新手来说,特别是曾经使用过类似的其它软件用户,首次使用Ansys-Lumerical FDTD软件,看到CAD界面众多按钮和功能键,以及官网中冗长的使用指南,感到无从下手;虽然一般建议大家直接根据网上的相关例子,简单修改,逐步学习,但是网上例子和使用指南有些碎片化,即使花了一些时间学习,可能仍然不知如何设置。因此,需要一个提纲挈领性的指南,本贴就是为了此目的而写。(有些连接需要等现有Lumerical指南和例子全部转移后再修改)

总结起来,FDTD仿真文件的设置应该有四个步骤,缺一不可:

  1. 设置几何形状并赋材料性质,简单的几何形状在Structures 里面可以找到;再在添加的几何形状上设置材料折射率,一般可以从材料库Mateirals找到
  2. 设置仿真区、边界条件,网格精度可以使用缺省(默认)值
  3. 添加合适的光源,修改光谱范围
  4. 添加合适的监视器

至此,仿真文件就建好了,请将它保存起来,所起的文件名应该有一定的意义,以便以后可以根据文件名判断而不需打开文件检查。

在运行之前,需要做几个检查:

1:检查几何形体是否如预期,可以使用折射率监视器查看;Lumerical 使用Mesh Order而不是布尔运算来处理重叠的几何形状, 参见  Lumerical 不用布尔运算如何设置嵌套结构 (mesh order) 

2:检查材料特性,点击这个图标


在仿真光谱范围内,检查拟合的色散曲线是否光滑,因为材料特性直接决定仿真结果的精确度。

例如参见这个帖子 

3:检查内存需要,点击这个图标

如果内存需要超过计算机可用内存,必须修改文件的设置,例如Disable不必要的监视器、降低网格精度Mesh Accuracy或增加细化网格尺寸大小、减少频域监视器检测的频率点数 利用对称性边界条件 等。

但是,一般情况下不要添加粗网格Override来降低内存需求。

如何设置仿真区大小?

按照步骤,设置完物体和材料后,添加仿真区,一般来说软件自动给出仿真区。对于周期方向,仅仿真一个周期,只要在相应方向的仿真宽度给出就可以,PML离开物体 (折射率变化的地方)半个波长就可以了。

如何选择边界条件?

求解麦克斯韦方程必须有合适的边界条件。周期边界不言而喻,PML是最常用的 860,其作用是截断一部分器件(比如基底),仅仿真功能性的部分。在半无限大和无限大方向一般可以用PML ,光入射到PML上相当于全部被吸收而没有反射。其它高级边界条件,例如对称性边界条件,可以熟练后再使用。

如何设置仿真时间?

对光学波段,使用缺省的1000飞秒就可以。对于太赫兹或者微波,需要适当加长。可以在光源光谱那里查看是否太短,如果光谱不正确,时间脉冲不完全。由于这个脉冲是光源位置的,它需要一定的长度传播到仿真区的另一端。一般应该比较长,其长度由设置的仿真时间决定。

结束仿真有几个方法?

正常情况下有两个方法,一是auto shut off min 达到指定数值,缺省(默认)数值是1e-5;二是仿真达到了指定的仿真时间。一般需要频域结果应该由前者结束仿真,此时进程显示小于100%。个别情况仅需要时间域结果,例如高Q仿真按第二种方法结束。

非正常结束:点击 Quit and Save; Quit & don’t save; Force quit.

怎么知道仿真结束的时间是合适的?

一般情况下仿真在小于100%结束就是正常的。可以察看一些监视器的结果,例如透射率反射率,结果是否光滑,有没有反常的数据,例如大部分结果为正个别地方为负(错误!)等。有时可以见到结果曲线有不规则的波纹,很可能是仿真时间不够或者PML太近造成的。

应该选什么监视器?

根据想要提取的结果,添加合适的监视器。一般建议添加至少一个时间监视器,以便仿真结束时的场信号情况(或者要分析频谱);虽然是时域仿真,通常用户希望得到频域结果,也就是波长和频率的函数,例如透射率和反射率,此时应该添加 frequency domain power monitor。 index 监视器一般用来检查所设置的解噢股是否正确,检查完毕可以Disable。movie 监视器一般用于了解场的时间变化过程,初学者可以不用。

怎么知道仿真设置错误?

如果仿真结果出现违反物理原理,比如透射比入射的功率还大,不应该有高级衍射的确出现了高衍射级等。前者可能说明仿真发散了,后者可能是错误地使用了周期边界条件。

发散处理

参见 Ansys Insight: FDTD 和 varFDTD 常见的发散原因以及处理

FDTD Solutions简介与初级教程(上)因故图像不清晰

时间 32:42 1

连接是 https://v.youku.com/v_show/id_XMTQ3NDY3MjYzMg==.html?spm=a2h0c.8166622.PhoneSokuUgc_1.dtitle

FDTD Solutions 简介与初级教程(下)操作实例 因故图像不清晰 

时间46:56

连接是 https://v.youku.com/v_show/id_XMTQ3NDY3ODIyMA==.html?spm=a2h0c.8166622.PhoneSokuUgc_1.dtitle 

这里有个英语视频 https://support.lumerical.com/hc/en-us/articles/360045465193-My-First-Simulation-Setting-up-the-Simulation 

其它:FDTD初学者: 仿真文件设置运行常见问题

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

我的仿真结果为什么与文献或实验结果不一致? 我的仿真结果为什么与文献或实验结果不一致?

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