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Ansys Insight: FDTD初学者:如何建立和设置仿真文件

    • Guilin Sun
      Ansys Employee

      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image.png

      ,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 ,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。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;二是仿真达到了指定的仿真时间。一般应该由前者结束仿真,此时进程显示小于100%。个别情况,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,如果没有反常的数据,例如大部分结果为正个别地方为负(错误!)就可以。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?
      根据项要提取的结果,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,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。

       

    • Chih-Hao Chen
      Ansys Employee

      下面做个例子。打开一个全新的FDTD文件,按下了参数修改:

      1:设置几何形状并赋材料性质,点击添加Rectangle

      image.png

       

      image.png

       

      2设置仿真区、边界条件,网格精度可以使用缺省(默认)值

      image.png

       

      image.png

      3: 添加合适的光源,修改光谱范围

      使用缺省的波长范围。其位置修改为y=-0.5um,其它不用改:

      4: 添加合适的监视器

      image.png

       

      image.png

       

      两个监视器的波长、频率点数设置为50个:

      image.png

      再点击添加一个时间监视器。注意修改监视器名字。

      保存文件,点击运行,运行结束,用Visualizer同时看这两个监视器,右键点击,选Visualize,选T,点OK,再修改一些参数,得到

      image.png

       

      你试一试看看能否得到如上结果。如果能得到,那就恭喜你了!

    • Guilin Sun
      Ansys Employee
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