Photonics – Chinese

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Ansys Insight: 透射率反射率大于1,或者透射率反射率之和大于1的原因与解决方案–综合贴 (待续)

    • Guilin Sun
      Ansys Employee

      这是一个常见的问题,尽管主要是域算法,例如FDTD,varFDTD, DGTD,有时EME也可能会有此类问题。本贴主要针对时域算法,主要是FDTD。

      在正式讨论此问题之前,有几个问题先行说明一下:

      1: 精度原因

      首先,无论哪种算法,透射率反射率大于1,或者透射率反射率之和大于1,如果这个误差很小,,比如千分之一,一般可以忽略不记,特别是最初的测试性仿真,精度不够高,仿真时间不够长,autoshutoff min 不够小的情况,有点误差也不要过于担心,不用怀疑软件可靠性,或者怀疑仿真的主要设置。这些可以通过适当地精心设置得到改善,不在本贴的讨论范围。

      2:菲涅尔透射系数可以大于1

      振幅透射系数是可以大于 1的,比如正入射时,因为 t=2*n1/(n1+n2),如果n1>n2, t就可以大于1。也就是光从高折射率介质到低折射率介质传播时,振幅透射系数(菲涅尔系数)大于1 是有物理基础的,有兴趣的用户可以找一本参考书看一下,这里主要讨论功率问题,也不在此贴考虑的范围之内。

      3: 电场即使经过与光源归化也是可以大于1 的

      这里有两种情况: 一是因为光源的振幅设置超过1,结果就是会大于1 ,因为归化仅是将光源强度、功率随波长变化,也就是时间脉冲信号的影响去掉,参见 Ansys Insight: 关于光源的归化问题:频谱和功率

      第二个情况是,由于光的干涉,或者增强,使得电场很强远大于1,比如SERS表面增强拉曼散射效应等。

      4:偶极子光源的“透射率”可以大于1

      这里的透射率用了引号,是因为计算方法的原因。在器件中偶极子的辐射功率是无法首先确定的,只有在均匀非色散介质中偶极子的辐射功率才可以事先知道,这个就是sourcepower(f) https://support.lumerical.com/hc/en-us/articles/360034925313-sourcepower-Script-command

      偶极子总透射率大于1并不是相对光源实际的发射功率,而是相对于解析结果,均匀介质中的功率。也就是用 transmission(“monitor”)计算得到的,参见 Ansys Insight: FDTD 初学者: transmission函数的使用、透射率反射率正负号问题

      这个结果实际上就是Purcell Factor,仿真以后,在偶极子光源中可以得到此结果。

      偶极子的实际辐射功率可以使用脚本Dipolepower https://support.lumerical.com/hc/en-us/articles/360034925293-dipolepower-Script-command ,或者采用BOX方法记录得到。当采用Box方法后,偶极子光源的实际、物理的功率透射率是小于1的。实际偶极子辐射通过器件的后的透射率为

      T_实际=transmission(“monitor”)*sourcepower(f)/dipolepower(f)

      分子是实际的透射功率。

      5:非线性有增益的器件大于1

      对于有增益的器件,功率透射率大于1 是正常的,这个就不多说了。

      6: 光栅分析中计算出来的场,不同衍射级加起来可以大于1,因为这种分解没有归一化,而衍射级功率是归化了的。

    • Guilin Sun
      Ansys Employee


      下列原因可能导致透射率反射率大于1:

      1:仿真时间不够,参见 Ansys Insight: 为什么说仿真时间要足够长才能得到正确的频域结果 可以查看Log文件,下面文件显示不到10% 就结束了  

        2:谐振太强。此时仅在谐振频率附近产生锯齿状的曲线

      3: Autoshutoff 不足够小

      可以查看Log文件中结束时 的Auto Shutoff,可以比较预先设置的Auto Shutoff Min。

      4: 精度原因: 个别情况需要很细的网格才能得到小于1 的结果

      这种情况最长发生在短波长,当然也有可能 PML在短波长性能变差

      5: PML问题

      厚度不够(层数乘网格尺寸),衍射角太大导致PML性能变差,入射角度在一定角度比如80度以上时,透过率可能大于1;此时可以固定网格尺寸,将结构Disable,仅测试斜大角度入射看看反射透射情况。

      6: 斜入射情况

      宽谱斜入射使用了Periodic,或者Bloch边界;正确的做法是用Bloch边界单波长仿真,可以扫描波长; Ansys Insight: 用Bloch边界扫描波长的问题(也适合斜入射TFSF光源)

      或者使用BFAST Ansys Insight: FDTD Solutions中的最新BFAST光源技术及其应用

      TFSF计算宽谱散射场透射率,斜入射:一般不用TFSF除非是周期结构但是没有必要,因为平面波加周期边界是仿真此类周期结构的标准做法。

      7: 特宽的光源光谱

      估计是此时脉冲里面含有其它波长比较多,当我将光源在时间域设置为长脉冲后,问题得以解决。



      8:周期边界设置错误

      FDTD是离散网格,仿真设置要保证在离散情况下周期条件能够满足要求。这种情况一般是仅画了一个单元。

      9:模式光源问题

      模式被PML截断;一些波导器件需要较细的网格。

      10:频域监视器和光源灰色区域重合

      光源灰色区域是光源本身需求,频域监视器不能穿过或者在光源灰色区域。

      11: 光源位于谐振腔内,或者某个波长反射率很高,与光源相互作用了。

      前者应该将光源移出谐振腔;后者可以将反射率监视器置于光源与结构之间

      12: 错误地使用较小的平面波尺寸,或者使用平面波+PML边界。最近几版已经可以自动将平面波光源的尺寸自动大于仿真周期;后者仅在个别特例情况使用,正常的使用是平面波+周期性边界条件,或者高斯光源、模式光源+PML。

      13: 基底断在PML里面,或者结构没有穿过PML而是在PML内部,可能导致反射,降低PML的吸收性能。

      14: BFAST光源:有点时候需要很高精度的网格用才能得到较好的结果。

      15: Transmission box算出来的power大于1

      主要原因是监视器有重叠的, 这六个监视器应该组成一个长方体,不能有重叠。

       

      注意:

      1: raw data里面的power是没有归化前的功率,T是这个功率与光源功率Sourepower的比值。

      2:如果是平面膜层结构,请使用Stackrt 直接得到精确结果而不需要用FDTD仿真

      3:监视器和pml 应该远离结构,比如半个波长以上

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